Фрэнсис Эшкрофт - Искра жизни. Электричество в теле человека
Получение представлений о том, как именно мозг управляет поведением, задача очень непростая. Один из подходов предполагает выделение вклада отдельных нейронов. Опубликованная не так давно новаторская работа профессора Геро Мизенбока из Оксфордского университета фактически открыла новый раздел нейрофизиологии — оптогенетику, позволив включать (или выключать) по желанию конкретную группу нервных клеток без воздействия на активность соседних нейронов. При таком подходе появляется возможность управлять поведением животного с помощью простого включения света. Этот метод основан на использовании ионных каналов, которые действуют как активируемые светом молекулярные выключатели. Он предполагает их встраивание в группы нервных клеток, где они находятся в закрытом состоянии, не оказывая никакого влияния на электрическую активность клеток до тех пор, пока исследователь не откроет их с помощью интенсивного импульса лазерного излучения с определенной длиной волны. Один из таких активируемых светом ионных каналов, так называемый канальный родопсин, получают из зеленых водорослей. Простое включение лазерного излучения открывает канал, обеспечивая приток положительно заряженных ионов, которые стимулируют активность клетки. Возможность точно регулировать длительность облучения и момент включения лазера позволяет вызывать активность отдельных нервных клеток и изучать, как характер их активности влияет на поведение. Аналогичным образом можно подавлять электрическую активность нервной клетки с помощью светочувствительного ионного канала, который в открытом состоянии удерживает на мембране клетки потенциал покоя.
Для привлечения партнерши самец плодовой мушки издает особый звук, брачную песню, с помощью быстро вибрирующих крыльев. Мизенбока заинтересовал тот факт, что, несмотря на практически одинаковую организацию мозга самцов и самок мушек, ведут они себя по-разному. Его исследовательская группа обнаружила, что при включении определенной группы нейронов с помощью светового импульса можно заставить самок исполнять брачную песню самцов. Все выглядит так, словно у плодовых мушек «бесполый» мозг, который воспроизводит разные модели поведения — мужскую или женскую — в зависимости от состояния центрального нейронного выключателя. Если стимулировать соответствующие нервные клетки, то мушку можно даже «научить» тому, что она никогда не знала. Но если управлять поведением плодовых мушек сравнительно просто, то о млекопитающих этого сказать нельзя, поскольку лазерный луч не проникает сквозь череп и световой импульс приходится передавать через волоконно-оптический кабель, имплантированный в мозг. Тем не менее было доказано, что таким образом можно управлять и поведением мыши. Оптогенетика — очень перспективное направление, обещающее пролить свет на то, как мозг управляет поведением.
Другие формы социального поведения имеют такую же прочную связь с мозгом, как и брачные песни и танцы плодовых мушек. Кроме того, пережитый опыт физически видоизменяет мозг, что объясняет, почему однояйцевые близнецы, несмотря на совершенно одинаковую генетическую конституцию, являются разными людьми. Это чудесно иллюстрирует стайная иерархия у лангустов. В случае опасности лангуст делает резкое движение хвостом, которое катапультирует его назад. Когда два лангуста находятся в одном аквариуме, один из них быстро занимает доминирующее положение, а другой — подчиненное, и это сопровождается заметным различием в электрической реакции гигантских нервных волокон, управляющих сокращением хвоста, и фактически в эффекте, который нейромедиатор серотонин оказывает на эти волокна. При удалении доминантной особи из аквариума подчиненная особь приобретает доминирующую электрическую реакцию, изменяя характер воздействия серотонина на нервные клетки. Любопытно, что лангуст, побывавший в положении альфа-особи, больше не возвращается к предыдущему состоянию. Хотя он может опять стать подчиненным при появлении в аквариуме более агрессивной особи и проиграть в схватке с нею, «доминантный» эффект серотонина не исчезает. В своеобразном неврологическом отрицании его мозг навсегда остается доминантным. В телевизионных реалити-шоу, связанных с игрой в различных персонажей эдвардианского общества, участники очень быстро занимают роли господ и слуг. Хотелось бы знать, в какой мере такие ролевые игры физически изменяют их мозг. «Заснуть и, может быть, увидеть сон»[39]
Отход ко сну — настолько обыденное явление, что мы редко задумываемся о нем. Каждый вечер, засыпая, мы отключаем сознание, расслабляемся и перестаем реагировать на мягкие раздражители. Сон связан с характерным изменением электрической активности нашего мозга, однако это не простое глобальное подавление функционирования нервных клеток, а высокоорганизованный феномен. Хотя обычно сон представляется нам как единообразное состояние, на самом деле в нем выделяются две четко различимых фазы: фаза быстрого сна с быстрым движением глаз и фаза медленного сна с медленным движением глаз. На протяжении всей ночи периоды быстрого сна чередуются с периодами медленного сна. Каждый цикл длится примерно 90 минут, и человек проходит через них за ночь четыре-пять раз. В совокупности около 25% времени, которое мы проводим во сне, т.е. от полутора до двух часов за ночь, приходится на фазу быстрого сна, продолжительность которой увеличивается с каждым циклом по мере приближения утра.
Засыпая, человек сначала входит в состояние дремы — промежуточное состояние между сном и бодрствованием. Пребывание в этой сумеречной зоне продолжается всего несколько минут, после чего наступает фаза медленного сна. В это время ЭЭГ изменяется, отражая прохождение через различные стадии неглубокого сна, пока на ней не появятся медленные, плавные низкочастотные волны, соответствующие глубокому сну. Мышцы при этом расслабляются, а способность реагировать на внешние раздражители снижается. Активность многих областей мозга, особенно коры, падает, и спящего становится трудно разбудить.
Как ни удивительно, но после примерно часового пребывания в глубоком сне наше состояние резко изменяется. Хотя тело по-прежнему остается в глубоком сне, мозг, похоже, просыпается, и на ЭЭГ начинается буйство быстрых низковольтных высокочастотных волн. Многие области мозга активируются, а особенно высокой становится активность областей, связанных с эмоциями, таких как миндалевидное тело. Это время интенсивных сновидений, и если вы проснетесь в этот момент, то, скорее всего, сможете вспомнить их. Мышцы остаются парализованными под действием тормозящих сигналов, посылаемых стволом мозга, иначе мы могли бы нанести себе вред, действуя под влиянием сновидений. Активность сохраняют (к нашему счастью) только дыхательные мышцы и мышцы глаз, которые связаны непосредственно с головным мозгом и, таким образом, избегают тормозящего воздействия ствола мозга. Возникает шквал быстрых движений глаз, именно поэтому этот период называют фазой быстрого сна. При повреждении мозга и утрате способности тормозить движения мышц во время сна люди, бывает, встают с кровати и ходят во сне. Иногда их приходится физически удерживать, чтобы они не нанесли вред себе или тому, с кем они спят. Когда человек выходит из фазы быстрого сна, контроль над мышцами автоматически восстанавливается. Изредка у людей это происходит не сразу, и они могут чувствовать себя временно парализованными — очень неприятное ощущение.
В фазе быстрого сна наши органы чувств также отключаются от мозга, и мы оказываемся отрезанными от мира. Информация от органов чувств поступает в кору головного мозга через так называемый таламус, но во время сна этот проводящий путь практически перекрывается и мало что пропускает. Мы словно отделены стеной от мира, изолированы от чувственной информации и не можем управлять мышцами, но наш мозг работает на повышенной передаче. Это как в автомобиле — двигатель раскручен на полную, но движения нет, поскольку не включена передача. Сон, таким образом, представляет собой динамическую активность. Мозг не выключается, а перестраивает свою активность.
В жизни каждого случаются моменты, когда вдруг хочется спать посреди дня. Нередко такое бывает в результате перелета в другой часовой пояс, но у некоторых людей чрезмерная сонливость превращается в проблему. Взять хотя бы Клэр, которая неожиданно засыпает в совершенно неподходящие моменты и ничего не может поделать с этим. Как-то раз она так сильно смеялась над шуткой своей подруги, что у нее подогнулись колени и она грохнулась на пол. Да что там говорить, любое чрезмерное волнение или сильное переживание приводит к такой потере мышечного тонуса, что она становится безвольной и падает. Клэр страдает хроническим расстройством сна, называемым нарколепсией, характерным признаком которого является чрезмерная дневная сонливость, несмотря на совершенно адекватный сон в ночное время. Утрата мышечного тонуса, которую называют катаплексией, возникает в результате того, что тормозящие пути, не дающие нам двигаться во время сна, включаются некстати во время бодрствования или в самом начале цикла сна.
