Процессы возбуждения в мозге: гипотезы и эксперименты

Ранее — особенно в главах, посвященных рассмотрению физических и химических процессов, — уже было показано, что одни и те же структуры могут быть образованы совершенно различными системами. Например, как в жидкости, так и в воздухе может возникнуть одинаковое упорядоченное движение молекул, наблюдаемое на макроскопическом уровне. При этом мы снова и снова сталкивались с тем, что эти процессы нисколько не зависят от взаимосвязей между отдельными элементами системы. Постоянное возникновение одних и тех же структур обусловлено лишь тем, что система оказывается в неустойчивом состоянии.

Когда американский биоматематик Джек Коуэн, принимавший участие в симпозиуме, посвященном развитию синергетики, узнал об упомянутых аналогиях (в частности, о возникновении ячеистых структур в жидкости), ему в голову пришла смелая идея: он увидел связь между галлюцинациями и образованием в мозге макроскопической структуры, состоящей из возбужденных нейронов. Люди, находящиеся под воздействием наркотиков (к примеру, ЛСД), сообщают о возникновении перед ними довольно типичной картины: они видят что-то похожее на концентрические круги, или разворачивающуюся спираль, или расходящиеся из одного центра лучи (рис. 16.5). К моменту появления у Коуэна предположения о взаимосвязи между галлюцинациями и образованием в мозге упорядоченных структур, состоящих из возбужденных нейронов, у него уже были разработки, относящиеся к математической теории переноса изображения, поступающего на сетчатку, на участок коры головного мозга, отвечающий за зрительное восприятие. Отображения такого рода могут быть наглядно представлены следующим образом. В сетчатке имеются нервные клетки, называемые рецеп-торными; такие клетки способны преображать в нервный импульс попадающий на них свет (мы не рассматриваем здесь этот сложный процесс подробно — за рамками нашего рассмотрения остается, в частности, вопрос о том, осуществляется ли подобная трансформация отдельной клеткой или же целым комплексом таких клеток). Во всяком случае, сигнал от этой — условно говоря — клетки передается через нервные тяжи на совершенно определенный участок коры головного мозга. Смежные клетки на сетчатке имеют особую «телефонную связь» со смежными же клетками коры. Однако если мы привлечем гипотезу Дж. Коуэна для объяснения того, каким образом становится возможным четырехугольное отображение на поверхности коры круглых изображений с сетчатки, мы обнаружим удивительное обстоятельство. Появляющиеся при галлюцинациях картины соответствуют прямым полосам структуры, возникающей при этом в мозге и состоящей из возбужденных нервных клеток, причем структуры эти отличает друг от друга только направленность полос (рис. 16.5). Коуэну даже удалось свести возникающие при галлюцинациях сложные образы к первичным структурам, и в частности, к уже хорошо известным нам ячеистым образованиям.

^{Рис. 16.5. Теория возникновения галлюцинаций, предложенная Дж.Коуэном. Слева: структуры, воспринимаемые людьми, находящимися под воздействием наркотиков. Справа: упорядоченные структуры, возникающие в мозге, согласно гипотезе Коуэна}

Как же следует понимать совокупность описанных фактов? При приеме наркотических средств происходит, по всей видимости, дестабилизация функций мозга, вследствие чего прежнее состояние покоя и равновесия сменяется на новое макроскопическое состояние, характеризующееся новой пространственной структурой из возбужденных нейронов. Таким образом, перед нами картина, аналогичная той, что наблюдается при нагревании слоя жидкости: сначала жидкость находится в состоянии покоя, а затем — при нагревании — она приходит в движение, т. е. изменяет свое макроскопическое состояние. При приеме наркотических веществ также достигается определенная концентрация наркотика в крови, приводящая к дестабилизации деятельности мозга; нейроны начинают бурно испускать огромное количество импульсов, причем — что интересно — испускать их не просто один за другим, а совершенно неупорядоченно. Разумеется, мы ни в коем случае не утверждаем, что в физическом смысле мозг начинает двигаться подобно нагреваемой жидкости; мы лишь пытаемся наглядно представить аналогию, обоснованную чисто математически.

В настоящее время подобные идеи могут рассматриваться всего лишь как умозрительные построения. Не исключено, что их можно проверить экспериментальным путем, но совершенно очевидно, что на данном этапе развития методов исследования мозга подобные эксперименты неосуществимы. До сих пор изучались только импульсы, испускаемые одной отдельной клеткой, в которую введен микроэлектрод; для обнаружения же такого рода возбуждений в различных клетках необходимо, очевидно, одновременное использование целого ряда электродов. В этой области для ученых открываются, несомненно, весьма захватывающие исследовательские перспективы[25].

Может показаться весьма и весьма гипотетичным положение, согласно которому множество нейронов испускают импульсы одновременно и в полном соответствии с некоторым определенным образцом. Однако в ходе исследований мозга был обнаружен феномен, при котором действительно наблюдалась подобная корреляция и синхронизация нервных импульсов. Речь идет о возникновении в мозге электромагнитных волн, которые могут быть сняты и измерены посредством электро- и магнитоэнцефалографии. Совершенно особую картину можно получить, снимая такого рода показания во время, например, приступа эпилепсии (рис. 16.6).

^{Рис. 16.6. Электроэнцефалограмма при нормальной деятельности мозга (вверху) и во время приступа эпилепсии (внизу)}

Упорядоченные структуры, образуемые возбужденными нейронами (в данном случае это временные колебания), связаны, как мы видим, с процессом, свойственным определенному заболеванию. С этой точки зрения временные колебания, возникающие во время приступа эпилепсии, абсолютно аналогичны образующимся в мозге в результате приема наркотических средств пространственным структурам, до сих пор продолжающим оставаться всего лишь гипотезой. Интересно, что унификация поведения множества нейронов подразумевает некую патологию: нам, разумеется, отнюдь не следует делать из этого вывод, что мышление никак не связано с эффектами корреляции — как раз наоборот. Если мы вообразим себе нейроны в виде ламп, вспыхивающих в момент возбуждения, то мы увидим постоянно изменяющуюся картину загорающихся и гаснущих огоньков, и определить при этом, каким образом мигание этих огоньков складываются в единую картину, весьма и весьма непросто. Настолько непросто, что на настоящий момент нам приходится довольствоваться лишь относительно непрямыми указаниями на возможность согласованного во времени функционирования многих нейронов.