Флойд Блум - Мозг, разум и поведение
Движение
«Объединители» и «дробители» этого мира пытаются проникнуть в суть явлений разными путями. Приверженцы классического подхода — объединители — хотят найти то, что объединяет вещи. Они ищут законы, управляющие функциями целого. Мыслители романтического склада — дробители — концентрируют свое внимание на частностях — внешнем виде, звуках и т.п. Классики считают толкования романтиков неприемлемыми («Ты говоришь, что любишь меня, но ведь я — это не только пара больших карих глаз»), а романтиков не устраивают требования классиков («В этой книге о мозге слишком много деталей — лучше прямо скажите, что именно я должен знать»).
Мы поставили своей целью дать классическое толкование того, как организован мозг, и тех принципов, на основе которых, по нашим представлениям, он работает. Но наряду с твердо установленными фактами, структурными схемами и данными о нейронных связях приводятся и взятые из жизни примеры, касающиеся разнообразных проявлений человеческой деятельности. Когда мы перейдем от сенсорных систем к моторным, для понимания того, как мозг заставляет тело двигаться, нам нужно будет использовать оба упомянутых выше подхода.
Рис. 56. Основные компоненты двигательной системы. Участки пирамидного тракта соединены иерархическим способом: двигательная кора → спинной мозг → мышечный эффектор. Показаны также области параллельной активности, лежащие за пределами пирамидного тракта, и мозжечковые компоненты двигательной системы.
Очень упрощенно мы можем представить себе, что «конвейер», действующий в моторной системе, движется в направлении, противоположном его движению в сенсорных системах. В сенсорной системе информация берет начало на периферии, где она воспринимается сенсорными датчиками и передается вверх в коре мозга. В моторной системе главный поток информации направлен от двигательной коры к периферии, где работают мышечные структуры — эффекторы, осуществляющие движение (рис. 56). Двигательная система тоже включает ряд иерархических уровней и путей параллельной обработки информации, и для эффективности ее работы тоже необходимы сенсорные проекции тела в мозгу. Все это относится к движениям любого типа, будь то простое почесывание носа или элегантный и сложный соскок с параллельных брусьев, во время которого гимнаст выполняет двойное сальто назад с полным переворотом.
Мышцы и суставы
Почти все мышцы нашего тела идут от одной кости к другой через соединяющий их сустав. Когда под действием двигательного нерва мышца сокращается, ее укорочение заставляет одну из этих двух костей двигаться. Есть два исключения из этого «правила двух костей»: глазные мышцы, вызывающие движения глазного яблока, и мышцы языка. Но даже и в этих случаях справедливо другое общее правило: каждой мышце, вызывающей определенное движение (например, сгибание в суставе, поворот глазного яблока, сужение зрачка), противостоит другая, при сокращении которой происходит противоположное движение. Работа таких пар мышц-антагонистов имеет решающее значение для поддержания выпрямленного положения тела или иной позы вопреки действию силы тяжести.
При активации двигательных нервов в нервно-мышечном синапсе происходит выброс химического медиатора ацетилхолина, который передает мышце команду сокращаться. (Многие другие нейроны тоже используют ацетилхолин для передачи информации различным клеткам-мишеням.) На мембране мышечного волокна ацетилхолин связывают специализированные крупные молекулы, называемые рецепторами (это не то, что мы называем рецепторами в сенсорных системах). Воздействие ацетилхолина на рецепторы может быть усилено никотином и, наоборот, блокировано растительным ядом кураре. (Кураре успешно применяется при охоте с помощью лука, так как животное, пораженное стрелой, смоченной в кураре, уже не может убежать.) При заболевании, называемом «миастения гравис», мышцы также утрачивают способность реагировать на ацетилхолин, но по другой причине: разрушаются ацетилхолиновые рецепторы на мышечных клетках.
В большинстве случаев наши мышцы сокращаются лишь тогда, когда мы этого хотим. Поэтому такие движения называются произвольными (см. рис. 8). Но даже тогда, когда мы делаем то движение, которое решили сделать, мы не осознаем, какие мышцы и каким образом в нем участвуют. За редкими исключениями, мы фактически не умеем приводить в действие ту или иную мышцу в отдельности. И тем не менее общий термин «произвольные» отделяет движения этого типа от рефлекторных движений, которые имеют место в тех, например, случаях, когда вы, неосторожно коснувшись раскаленной плиты, отдергиваете руку, еще не успев почувствовать боль.
Независимо от внешней причины двигательной активности мышечные волокна активируются только по приказу двигательного нерва. Поэтому мы говорим о двигательном аксоне и мотонейроне (спинномозговом нейроне, которому этот аксон принадлежит) как об общем конечном пути для управления движением. Любое отдельное мышечное волокно контролируется только одним мотонейроном, но один мотонейрон может контролировать много мышечных волокон с помощью разветвлений своего аксона. Число волокон, управляемых одним мотонейроном, варьирует в зависимости от того, насколько тонкими должны быть движения мышцы. В глазодвигательных мышцах на каждый нейрон приходится примерно по три мышечных волокна; в мышцах, приводящих в движение бедро, на один нейрон приходится сотня мышечных волокон.
Сила, которую может развить мышца, зависит от числа содержащихся в ней мышечных волокон. У мотонейронов, контролирующих крупные мышцы, такие как бицепсы или мышцы голени, аксоны должны иметь много разветвлений, чтобы иннервировать все мышечные волокна, причем веточки аксонов в этом случае гораздо толще, чем у нейронов, управляющих мелкими мышцами пальцев.
Спинной мозг — вместилище мотонейронов
Двигательный нейрон (мотонейрон) и его аксон вместе с мышечными волокнами, которые он контролирует, называют двигательной единицей. Такие единицы можно приближенно сравнить с входными участками сенсорных систем в том отношении, что они ближе всего к внешнему миру. В этом смысле спинной мозг занимает в нейронном «конвейере» примерно такое же положение, как сетчатка в зрительной системе. И спинной мозг, и сетчатка представляют собой скопления нейронов, несколько отодвинутые с периферии вглубь и осуществляющие важные этапы интеграции и фильтрации сигналов с использованием локальных сетей. Относительно простые виды интеграции, возможные на уровне спинного мозга, являются, однако, лишь прелюдией по отношению к более мощным и детализированным двигательным актам, которые могут выполняться под управлением спинного мозга при получении им соответствующих команд из двигательных центров коры больших полушарий.
Спинальные рефлексы. Мышцы снабжены также и чувствительными нервами. Эти нервы участвуют в проприоцепции — позволяют нам чувствовать положение и движения собственного тела. Сенсорные датчики находятся либо в глубине мышц, в специальных комплексах, называемых мышечными веретенами, либо в сухожилиях, там, где мышцы прикрепляются к кости. Эти датчики информируют спинной мозг или двигательные центры более высоких уровней о том, какое напряжение развивает в данный момент мышца. Эта информация помогает определить положение сустава, а тем самым и исходную позицию для начала следующего движения.
Когда доктор во время осмотра проверяет ваши рефлексы, он ударяет молоточком по сухожилию ниже коленной чашки. От этого удара растягивается и расположенное выше сухожилие, прикрепленное непосредственно к четырехглавой мышце бедра. В результате активируются находящиеся в этом сухожилии рецепторы, которые по сенсорным волокнам передают возбуждение спинальным мотонейронам, и последние заставляют мышцу бедра сократиться, а вашу ногу — подпрыгнуть (рис. 57, слева). Весь рефлекс совершается очень быстро, обычно меньше чем за секунду, — так проворно эти нейроны управляются со своими местными делами.
Другие локальные решения, которые также принимаются спинным мозгом, связаны, например, с болевыми раздражителями. Если вас когда-нибудь ударяло током при попытке вытащить из тостера застрявший там кусок хлеба, то вы, возможно, заметили, что ваша рука взлетала в воздух еще до того, как вы почувствовали боль. Под контролем спинного мозга ваша пострадавшая конечность автоматически отдергивается в результате ее сгибания в суставах. При таких неврологических заболеваниях, как рассеянный склероз и амиотрофический боковой склероз, одна из неприятностей состоит в том, что сенсорные нервы не обеспечивают должного выполнения сгибательных рефлексов. В результате больные страдают от частых и длительных соприкосновений с повреждающими объектами.
