Мозг и сознание - страница 32

Жизнь выдвигает множество научных и философских проблем, и для того, чтобы понять значение, потенциальные возможности и пределы управления функциями мозга, целесообразно сначала кратко рассмотреть основы нормального поведения и методы воздействия на него, а затем разобрать несколько ярких примеров управления поведением животных и человека при помощи электрической стимуляции.

Физико-химические основы поведения

В мире растений и животных динамика биологических процессов связана с перемещением ионов и изменением электрических зарядов по обе стороны мембран, отделяющих клетки от окружающей среды. Например, при фотосинтезе лист дерева поглощает энергию солнца и на воспринимающей энергию поверхности возникает отрицательный потенциал. Аналогичным образом раздражение аксона моллюска, мышцы лягушки или различных отделов мозга человека сопровождается возникновением отрицательного потенциала, который распространяется по мембранам и затем исчезает. Это изменение мембранного потенциала приводит к возникновению в клеточной цитоплазме и окружающей электропроводящей жидкости электрического тока. Таким образом, активность клетки можно исследовать, регистрируя электрические потенциалы, возникающие между наружной и внутренней поверхностями мембран, или определяя изменения величины потенциала во внеклеточной жидкости, даже если регистрирующие электроды расположены на значительном расстоянии от источника электрического тока. На этом основана регистрация электрической активности сердца при помощи электродов, наложенных на конечности (электрокардиограмма, или ЭКГ), или исследование электрических потенциалов мозга при помощи электродов, прикрепленных на коже головы (электроэнцефалограмма, или ЭЭГ). Если расположить электроды ближе к источнику отрицательного заряда, например в глубине мозга, то запись будет более точной и может выявить местонахождение генераторов биотоков. Наоборот, при раздражении током извне возникает электрическое поле во внеклеточной жидкости, ток проходит сквозь клеточные мембраны, изменяет их заряд и проницаемость и вызывает самораспространяющийся процесс, названный «возбуждением».

Для того чтобы вызвать возбуждение, необходимо быстро уменьшить положительный заряд, существующий в норме на поверхности покоящейся клетки, пока он не дойдет до критической точки местной деполяризации. В этот момент проницаемость оболочки для попов изменяется и включается в действие генетически детерминированная последовательность электрических и химических процессов. Возбуждение возникает в непосредственной близости от отрицательного электрода (катода), потому что воздействие отрицательного заряда нейтрализует существующий в норме положительный потенциал на наружной поверхности клеточной мембраны. После прекращения раздражения положительный заряд восстанавливается благодаря энергии определенных химических реакций. Относительно простые процессы деполяризации и реполяризации клеточных мембран являются важнейшими элементами нервной возбудимости, и от них в конечном счете зависит необычайная сложность всех поведенческих актов.

Существует огромный разрыв между нашими знаниями об электрических процессах на клеточном уровне и представлениями о механизмах реакций целого организма. Как можно объяснить такие виды деятельности, как ходьба, решение задач или мышление, в терминах поляризации и реполяризации клеточных мембран? Конечно, поведенческие реакции невозможны без соответствующих спайковых потенциалов и обмена ионов, но они так же невозможны и без потребления сахара и кислорода; поэтому мы должны отличать основные неспецифические процессы жизнедеятельности клетки — ее метаболизм — от процессов, специфически связанных с поведением. Электрическая активность нейронов, по-видимому, выполняет двойную роль: с одной стороны, это проявление метаболизма клетки, а с другой — способ передачи кодированной информации. Способность передавать кодированную информацию — наиболее важное и наименее понятое свойство нейрона, этой функциональной единицы нервной связи. Располагая определенным количеством кирпичей, строитель может воздвигнуть бесконечное число разных зданий. Для того чтобы заранее решить, каким будет закопченное здание, надо знать как свойства отдельного кирпича, так и план укладки кирпичей. Каждая поведенческая реакция — это сочетание огромного числа отдельных деполяризаций, имеющих определенную пространственную организацию и временную последовательность. Их взаимодействие подчас столь сложно, что недоступно экспериментальному анализу; поэтому следует начать с изучения очень простых явлений. Аксон кальмара был на протяжении многих лет излюбленным объектом исследования в нейрофизиологии. Однако при использовании результатов экспериментов на этом препарате для объяснения двигательных реакций и психической деятельности следует быть очень осмотрительным. Чтобы понять смысл фразы или почувствовать красоту поэзии, недостаточно знать алфавит.