Семь с половиной уроков о мозге. Почему мозг устроен не так, как мы думали

Ланцетники (Amphioxus) существуют и по сей день. С точки зрения эволюции они являются нашими родственниками в следующем аспекте: люди – позвоночные животные, то есть у нас есть хребет, который мы называем позвоночником, и ствол нервных волокон, который мы называем «спинным мозгом». Ланцетники не принадлежат к позвоночным, но у них есть нервный ствол, идущий от верхней части тела до нижней. Кроме того, у них есть и некое подобие хребта, «нотохорд», но он состоит не из костей, а из волокнистой массы и мышц. Ланцетники и позвоночные относятся к многочисленной группе животных, известной как хордовые (Chordata), и у нас с ними общий предок (об этом скоро я расскажу подробнее).

У ланцетников нет тех особенностей, которыми позвоночные отличаются от беспозвоночных, – у них нет сердца, печени, поджелудочной железы, почек, равно как и внутренних систем, частью которых должны быть эти органы. Но у них есть клетки, регулирующие циркадный ритм и формирующие циклы сна и бодрствования.

Ланцетники лишены отчетливо сформированной головы и органов чувств, которые есть у любого позвоночного, – глаз, ушей, носа. На головном конце ланцетника, с одной стороны, у него есть небольшая группа клеток – «глазное пятно». Эти фоточувствительные клетки способны улавливать резкий переход от света к темноте и наоборот, поэтому, когда на ланцетника падает тень, он перемещается в другое место. В клетках глазного пятна есть гены, схожие с теми, что находятся в сетчатке у позвоночных, но у ланцетника нет ни глаз, ни способности видеть.

Ланцетник не чувствует ни запахов, ни вкусов. В его коже есть клетки, способные воспринимать различные вещества, растворенные в воде. Эти клетки содержат совокупность генов, подобных тем, какие можно обнаружить в обонятельной луковице позвоночных животных, но доказательств того, что и у ланцетника, и у позвоночных эти гены функционируют одинаково, пока нет. Кроме того, у ланцетника есть группа клеток, имеющих волоски и позволяющих животному ориентироваться, сохранять равновесие в воде и, возможно, чувствовать скорость передвижения. Тем не менее у этого существа нет внутреннего уха с волосковыми клетками, позволяющими слышать. У позвоночных же все это есть.

Ланцетник неспособен находить пищу и плыть к ней; он питается любыми мелкими существами, которые приносит ему течение. При этом у ланцетника есть клетки, подающие сигнал об отсутствии пищи и побуждающие его перемещаться туда, где, возможно, еда найдется (то есть эти клетки подают сигнал: «В любом другом месте будет лучше»).

Ссылка: 7half.info/amphioxus.

На головном конце ланцетника находится орган обоняния – ямка Келликера, и в коже располагаются отдельные хеморецепторы. Прим. науч. ред.

Ученые пока еще не пришли к единому мнению, есть ли у ланцетника мозг. Это зависит от того, как проводить грань между «мозгом» и «немозгом». Эволюционный биолог Генри Джи резюмирует: «Ничего похожего на мозг позвоночных животных ни у оболочников [асцидий. – Прим. автора], ни у ланцетников нет. И все же, если присмотреться, можно обнаружить у них признаки “предварительного плана”, в соответствии с которым мозг мог бы сформироваться».

Большинство ученых согласны с тем, что на переднем конце нотохорда ланцетников присутствует определенный «генетический набросок» мозга, характерного для позвоночных, и что этот «набросок» появился примерно 550 миллионов лет назад. Это вовсе не означает, что гены, находящиеся в этой части нотохорда, работают так же или служат основой для тех же самых структур, что и схожие гены в мозгу позвоночных. (Более подробную информацию о том, как соотносятся два вида живых существ, имеющих идентичные гены, вы найдете в комментарии 21 к Уроку 1.) По этому вопросу ученые до сих пор дискутируют. У ланцетников на молекулярном уровне есть те же паттерны, благодаря которым у позвоночных мозг разделяется на основные сегменты, однако ученые никак не могут прийти к согласию, «наброски» каких сегментов в этих паттернах присутствуют, а каких – нет. Кроме того, ланцетники наделены рудиментарными генетическими особенностями, которые необходимы для формирования головы.

Более подробную информацию о ланцетниках можно найти в книге Генри Джи «По ту сторону моста. Происхождение позвоночных» (Across the Bridge: Understanding the Origin of the Vertebrates) и в книге «Мозг сквозь время. История естественного развития позвоночных» (Brains Through Time: A Natural History of Vertebrates), написанной Георгом Стридтером в соавторстве с Гленном Норткаттом.

Ссылка: 7half.info/amphioxus-brain.

По мнению ученых, наш общий с ланцетником предок был очень похож на современного ланцетника, потому что за последние 550 миллионов лет среда обитания («ниша») этого существа почти не изменилась, так что и адаптироваться было практически не к чему. Что же касается позвоночных, на их долю выпали колоссальные эволюционные изменения. То же можно сказать и о других хордовых, таких как асцидии. По этой причине ученые предполагают, что, исследуя современных ланцетников, мы можем узнавать все больше и больше об общем предке всех хордовых.

Однако не все в научном сообществе согласны с этой точкой зрения – некоторые считают маловероятным, что за полмиллиарда лет ланцетники никак не изменились. К примеру, нотохорд (центральная нервная система этих существ) расположен по всей длине тела ланцетника, «с головы до пят», в то время как у позвоночных спинной мозг заканчивается там, где начинается головной. Ученые дискутируют, был ли у нашего с ланцетниками общего предка длинный нотохорд, который по мере формирования мозга, характерного для всех позвоночных, становился короче, или у нашего общего предка с самого начала был короткий нотохорд, который в ходе эволюции растягивался. Схожие вопросы звучат и в других дискуссиях (например, когда речь идет об эволюционных изменениях обоняния).

Более подробную информацию о наших предках, похожих на ланцетников, вы найдете в книге «По ту сторону моста» Генри Джи.

Ссылка: 7half.info/ancestor.

Утверждения вроде «Наш мозг предназначен для того-то и того-то» носят телеологический характер. «Телеология» происходит от греческого telos, означающего «конец», «намерение», «цель». Ученые и философы ведут дискуссии о нескольких типах телеологии. Самый известный из них, обычно не одобряемый ни учеными, ни философами, описывается следующей мыслью: нечто изначально создается в соответствии с определенным замыслом, чтобы воплотить определенное намерение и достичь конкретной цели. Примером может служить предположение, согласно которому мозг эволюционировал от худших свойств к лучшим – допустим, от чего-то инстинктивного к чему-то рациональному или от низших животных к высшим.

В «Мини-уроке» я оперирую телеологией другого типа, его суть в том, что процесс направлен на получение результата, но не ориентирован на достижение некой конечной цели. Говоря, что мозг предназначен не для мышления, а для регулирования работы нашего организма, я не подразумеваю, что у ведения бюджета тела – аллостаза – есть конечная цель. Аллостаз – это процесс, включающий составление прогноза, какая информация об окружающей среде может поступить в организм, и определенную работу с полученной информацией. Аллостазом занимается любой мозг. И какого-либо развития от худших свойств к лучшим не происходит.

Психологи Бетани Ойалехто, Сандра Ваксман и Дуглас Медин, специализирующиеся на изучении того, как представители разных культур воспринимают жизнь на нашей планете, провели исследования и, проанализировав полученные результаты, предположили, что утверждения, основанные на втором типе телеологии (именно такие я привожу в «Мини-уроке»), отражают характер взаимоотношений между живыми существами и средой обитания. Ученые называют это «контекстуальным, реляционным познанием». Утверждения типа «мозг не предназначен для мышления» содержат реляционный подтекст (говорящий о взаимодействии между мозгом, разными системами организма и всем тем, что находится в окружающем пространстве), но не подразумевают, что мозг был намеренно сформирован для достижения какой-то конечной цели.

Стоит добавить, что использованная мной формулировка (например, «мозг не предназначен для мышления») появляется в конкретном контексте, а именно в эссе, рассказывающем о разных аспектах работы мозга. Смысл этой формулировки раскрывается полностью лишь в том контексте, в котором я ее употребила. Если этот контекст убрать, то может показаться, что фраза имеет отношение не ко второму типу телеологии, а к первому, противоречивому. Разумеется, аллостаз – это не единственная причина, по которой мозг начал эволюционировать, он не может считаться фактором, подтолкнувшим эволюцию по заранее запланированному пути. Мозг развивался главным образом вследствие естественного отбора, непоследовательного и определяемого способностью того или иного организма приспосабливаться. Кроме того, эволюция мозга могла быть обусловлена совершенствованием культуры, и об этом я говорю в Уроке 7.

Ссылка: 7half.info/teleology.

Аллостаз (от греч. allos, переменчивый, и stasis, неподвижный) буквально означает «меняться, чтобы поддерживать стабильность». Концепцию аллостаза предложили физиологи Питер Стерлинг и Джозеф Эйер в 1988 году. Прим. науч. ред.

Аллостаз не единственный фактор, влияющий на эволюцию и работу мозга, тем не менее его можно считать довольно значимым. Этот процесс, включающий прогнозирование, способен балансировать работу организма, причем в течение продолжительного периода времени. Если же речь идет о постоянстве внутренней среды организма, то для обозначения такого процесса подходит термин «гомеостаз».

Ссылка: 7half.info/allostasis.

Вопрос, насколько выгодно то или иное действие, хорошо изучен в сфере экономики и обозначен понятием «ценность».

Ссылка: 7half.info/value.

В нашем теле расположены внутренние органы – например сердце, желудок, легкие. Органы являются частями сложных систем, находящихся ниже шеи, – сердечно-сосудистой, пищеварительной и дыхательной соответственно. Движения, происходящие в сердце, пищеварительном тракте, легких и других органах, называются висцеромоторными. Мозг контролирует наши внутренние системы (управляет висцеромоторными движениями). В мозгу есть первичная моторная кора и совокупность подкорковых структур, управляющих движениями наших мышц; аналогичным образом, только с помощью первичной висцеромоторной коры и ее подкорковых структур, регулируется двигательная активность наших внутренних органов. Стоит отметить, что у сердца и желудочно-кишечного тракта свои естественные ритмы, настраиваемые висцеромоторной системой. В нашем организме есть и другие системы, не всегда связанные с каким-либо внутренним органом, например иммунная и эндокринная; о происходящих в них изменениях тоже часто говорят как о висцеромоторных.

Аналогично тому как моторика ваших рук, ног, головы и туловища производит информацию об ощущениях и передает ее в мозг (а точнее, в соматосенсорную систему), висцеромоторная активность формирует изменения, называемые интероцептивными ощущениями, которые также направляются в мозг (в интероцептивную систему). Все эти импульсы помогают мозгу лучше контролировать двигательную активность нашего организма, в том числе и внутренних органов.

На данный момент ученые считают, что эволюция висцеральной и висцеромоторной систем у позвоночных сопровождалась развитием сенсорных систем. После оплодотворения, когда у эмбриона начинают формироваться мозг и тело, системы внутренних органов и сенсорные системы образуются из одной и той же совокупности клеток – «нервного гребня». Аналогично формируется передний мозг – сегмент мозга позвоночных, содержащий висцеромоторную и интероцептивную системы. Наличие нервного гребня – свойство, присущее только позвоночным. Он есть у всех видов этой группы животных, в том числе и у человека.

Висцеромоторная и интероцептивная системы играют ключевую роль в определении, насколько выгодно каждое совершаемое вами движение, но нельзя сказать, что они образовались именно с такой целью. Были и другие факторы, которые в ходе естественного отбора способствовали их формированию. К таким относится, например, увеличение размеров животных, вследствие которого крупным телам потребовались новые внутренние механизмы для поддержания нормальной жизни. Организмы большинства животных на нашей планете относительно малы и состоят из небольшого количества клеток, расположенных так, чтобы, беря начало внутри тела, иметь при этом выход к внешнему миру. Организму благодаря подобному строению проще осуществлять некоторые функции – газообмен (в процессе дыхания) и выведение продуктов жизнедеятельности. У крупных животных внутренние компоненты организма располагаются достаточно далеко от внешнего мира, и поэтому в таких телах формировались новые системы, предназначенные, например, для того, чтобы качать воду через жабры и тем самым делать газообмен более интенсивным, или для того, чтобы через почки и удлиненный желудочно-кишечный тракт выделять экскременты. Подобные структуры позволили позвоночным научиться лучше плавать и, как следствие, эффективнее охотиться.

Ссылка: 7half.info/visceral.

Душа, о которой писал Платон, не то же самое, что современное понятие «разум». Следуя нормам разговорной речи, я употребляю слова «душа» и «разум» как синонимы.

Ссылка: 7half.info/plato.

В нейробиологию идея триединого мозга «влилась» в виде учения Платона о человеческой душе. В начале двадцатого века психолог Уолтер Кэннон предположил, что возникновение и выражение эмоций происходит благодаря двум областям мозга – таламусу и гипоталамусу соответственно, которые находятся непосредственно под той частью коры больших полушарий, которая, как считалось, отвечает за способность рационально мыслить. (Сейчас нам известно, что таламус служит главными «воротами», через которые в кору больших полушарий попадает вся получаемая органами чувств информация, кроме веществ, преобразовывающихся в запахи. Гипоталамус же играет важнейшую роль в регулировании артериального давления, частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, потоотделения и в других физиологических процессах.) В 1930-х годах специалист по анатомии мозга Джеймс Пейпец предложил выделить определенную область мозга, якобы отвечающую за эмоции, и назвал ее «кортикальная цепь». По мнению Пейпеца, поскольку это образование выходило за пределы таламуса и гипоталамуса, включало участки коры, граничащие с подкорковыми областями (составляющими поясную кору), оно должно было иметь древнее происхождение. Спустя 50 лет невролог Поль Брока назвал этот сегмент коры больших полушарий лимбической долей. (Он использовал слово «лимбическая», которое происходит от латинского limbus, то есть «граница». Лимбическая доля граничит с сенсорной и моторной системами мозга, благодаря которым мы можем совершать разные движения, в том числе руками и ногами. Брока считал, что в лимбической доле сосредоточены те примитивные механизмы, которые необходимы нам для выживания, как, например, способность чувствовать запахи.) В конце 1940-х гипотезу Пейпеца о «кортикальной цепи» потеснила теория о существовании полноценной лимбической системы, предложенная нейробиологом Полом Маклином. Эта система стала частью сформулированной Маклином теории о триедином мозге.

Ссылка: 7half.info/triune.

Неокортекс есть у всех млекопитающих, но у человека он развит лучше всего. Прим. науч. ред.

Многие термины, относящиеся к мозгу и имеющие в своем названии слово «кора», способны сбить с толку. Кора больших полушарий – это совокупность нейронов, разделенная на слои и находящаяся над субкортикальными (то есть подкорковыми, расположенными под корой) областями мозга. Бытует мнение, что одна часть коры больших полушарий образовалась в ходе эволюции очень давно, и поэтому она входит в состав лимбической системы (как, например, поясная кора), а другая – с точки зрения эволюции молода, и именно поэтому ее назвали «неокортекс». Подобное разделение основано на представлении, как эволюционировала кора больших полушарий. Об этом и идет речь в Уроке 1.

Как правило, ученые стараются избегать категоричных утверждений, что нечто является фактом, и не спешат говорить о чем-то как об абсолютной правде или стопроцентной лжи. Ведь тот или иной факт в зависимости от контекста может выглядеть и как правда, и как ложь. (Генри Джи в своей книге «Случайные виды. Заблуждения об эволюции человека» (The Accidental Species: Misunderstandings of Human Evolution) пишет, что наука – это процесс умножения сомнений.) В случае с триединым мозгом, однако, категоричность оправданна. К моменту, когда в 1990 году был опубликован фундаментальный труд Маклина «Триединый мозг в ходе эволюции. Роль в функциях палеоцеребеллума» (The Triune Brain in Evolution: Role in Paleocerebral Functions), уже было ясно, что идея тройственного мозга ничем не может быть подтверждена. То, что она до сих пор очень популярна, – это показатель ее идеологической, а не научной основы. Ученые старательно избегают опоры на ту или иную идеологию, но все мы люди, и людям свойственно иногда руководствоваться в большей степени верой, чем фактами. (Рекомендую прочитать книгу биолога-эволюциониста Ричарда Левонтина «Биология как идеология. Доктрина о ДНК» (The Biology as Ideology: The Doctrine of DNA).) Ошибки – это неотъемлемая часть науки, и, признавая их, ученые создают условия для очередного открытия. Более подробно вышеописанная тема рассматривается в книгах нейробиолога Стюарта Файрстейна «Ошибка. Почему наука настолько успешна» (Failure: Why Science Is So Successful) и «Невежество. Как оно двигает науку вперед» (Ignorance: How It Drives Science).

Ссылка: 7half.info/triune-wrong.

Дарвин Ч. Происхождение человека и половой отбор. М.: Терра – Книжный клуб, 2009. Прим. ред.

Саган К. Э. Драконы Эдема. Рассуждения об эволюции человеческого разума. Спб.: Амфора, 2015. Прим. ред.

Строго говоря, у каждого живого существа набор генов во всех соматических клетках одинаков. Гены не плавают в клетках просто так – они находятся в хромосомах, особым образом свернутых длинных молекулах ДНК. Хромосомы, в свою очередь, упакованы в особое образование – ядро.

Предположу, что речь идет об исследовании экспрессии генов – «разворачивания» ДНК, считывания определенного гена на матричную РНК, ее модификацию в зависимости от внешних условий и производство белка на основе этой измененной молекулы. У человека 23 пары хромосом, в которых содержится около 20–25 тысяч активных генов.

У крысы 21 пара хромосом и примерно столько же активных генов, сколько и у человека, – около 20.

По данным международной группы по изучению генома крысы, значительные доли исследованных геномов крысы и человека совпадают, что говорит об относительно небольшом времени расхождения эволюционных путей грызунов и приматов – около 12–14 млн лет. См.: Rat Genome Sequencing Project Consortium. Genome sequence of the Brown Norway rat yields insights into mammalian evolution. Nature 428, pp. 493–521 (2004). https://doi.org/10.1038/nature02426. Прим. науч. ред.

Я говорю о том, что нейроны имеют сходство на молекулярном уровне, то есть у них есть одинаковые гены или последовательность генов, и они выполняют одну и ту же функцию (например, участвуют в производстве схожих белков). Конкретный ген, находясь в организме разных животных, не всегда бывает вовлечен в синтез одних и тех же белков. У двух разных существ могут быть идентичные гены, но при этом функционировать они будут по-разному или будут отвечать за создание различных соединений. В зависимости от этапа развития, на котором находится тот или иной организм, конкретная совокупность генов может использоваться для различных целей даже в организме одного животного. (Доступное объяснение и подходящие примеры можно посмотреть в книге Генри Джи «По ту сторону моста».) Важно отметить, что у разных животных могут присутствовать нейроны с определенным числом одинаковых генов, участвующих в выполнении одних и тех же функций, но в том, как эти совокупности нейронов организованы, могут быть различия, и поэтому мозг двух этих животных будет выглядеть по-разному.

Ссылка: 7half.info/same-neurons.