Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - читать онлайн

2. Мозг и первомозг Мозг (или его отсутствие) – от губки до человека

Древо жизни росло и разветвлялось, а на пути развития чувств возникали определенные этапы. К самым ранним из них относится эволюция межклеточной коммуникации посредством молекулярных процессов, таких как чувство кворума. Затем пришло время наборов генов, отвечающих за выполнение специфических клеточных функций, то есть того самого молекулярного инструментария, благодаря которому информация передается через одиночные клетки. Потом эволюционировали многоклеточные организмы, клетки которых стали взаимодействовать между собой с помощью сигнальной трансдукции. После возникновения многоклеточности открылись новые возможности коммуникации клеток, и они значительно повлияли на биологию наших прямых предков-эукариот. К важным вехам эволюции также относятся потенциал действия, синапс, дифференцированные нервные клетки, нейронные сети, скопления нейронов и специализированная нервная система. И, несмотря на то что все эти этапы развития (то есть все, чего мы достигли в процессе эволюции нашей ветви) могут показаться дорогой к совершенству, это всего лишь промежуточные остановки. Другие ветви тоже развивались, но стадии эволюции нашей нервной системы не имеют к ним ни малейшего отношения.

Чарльз Дарвин уподобил отношения организмов с «великим древом жизни», чтобы наглядно показать взаимосвязь всех организмов на планете через общее происхождение и дивергенцию. Биологи взяли на вооружение концепцию «великого древа жизни» для отслеживания эволюции признаков. Наблюдая за случаями дивергенции организмов и признаков, имеющих отношение к нервной системе, мы получаем довольно точную картину, как развивался мозг в целом и наш мозг в частности.

Самые ранние ветви древа, иллюстрирующего эволюцию животных, включают губку и небольшие организмы, относящиеся к типу пластинчатых и по форме напоминающие блин. Некоторые исследователи полагают, что все губки – родственники друг другу благодаря общему предку. Другие же считают, что существовали две линии развития губок. Доподлинно известно, что губки имеют примерно восемь типов клеток и ни один из них не является нейронным, именно поэтому у них и нет мозга. У пластинчатых, в свою очередь, четыре типа клеток, среди которых нет даже одного нейронного, поэтому и у них тоже не может быть мозга. Но вот что интересно: у этих двух древних животных, находящихся у основания древа, есть большое количество генов, необходимых для создания нервных клеток, просто они их не используют. По всей видимости, они нашли другое применение генам, которые другие животные направляют на строительство нейронов. И губки, и пластинчатые чувствуют изменения окружающей среды и реагируют на них, поэтому эти организмы можно назвать чувствующими, несмотря на отсутствие мозга и нервной системы. Губки «чихают», когда ощущают контакт с какими-то частицами. Это «чихание» представляет собой очень эффектное зрелище, но весь процесс занимает около часа, поэтому наблюдать за губками лучше через замедленную съемку. Пластинчатые очень охочи до еды и весьма преуспели в ее добыче – и это при отсутствии мозга.

Гребневики, или ктенофоры, – невероятно интересные существа. Выглядят они чертовски круто, и считается, что это первая группа животных, отклонившаяся в развитии от одноклеточных предков – эукариот. У них есть несколько типов клеток, в том числе и нервные клетки, есть нервная система, но нет централизованного скопления клеток, которые формируют мозг. Если ктенофоры действительно являются первыми животными, чья эволюция устремилась по другой ветке древа жизни, то тогда вырисовывается любопытный сценарий развития событий. Первый момент: нервные системы гребневиков и других животных очень схожи (за исключением губок и пластинчатых). Второй момент: нервную систему относительно легко утратить, как это случилось в ветви, по которой развивались губчатые и пластинчатые. Этот пример показывает, как применение концепции общих предков и древа жизни позволяет нам проанализировать значимые изменения нервной системы, произошедшие при дивергенции животных.

Однако способы взаимодействия нервных клеток у нашей ветки и более низших, «мягких», животных одни и те же. Похоже, что передача электрического сигнала посредством потенциала действия – это изобретение древних животных.

После того как отделились ветви гребневиков, губчатых и пластинчатых, общий предок стрекающих кишечнополостных и группа билатеральных, к которой относимся и мы, тоже разошлись. Любой организм, симметричный относительно линии, проведенной от центра головы до конца тела, называется билатеральным или двусторонне-симметричным. Наиболее близкородственная билатеральным группа – это стрекающие кишечнополостные, книдарии, объединяющие медуз, гидр, кораллы и очень странную группу организмов, называющихся кубомедузами из-за их формы, напоминающей коробку. У стрекающих кишечнополостных есть клетки, которые можно назвать нервными, и нервная система, которую лучше всего описывать словом «сеть», но нет централизованного сосредоточения нервных клеток, которое можно называть мозгом.

Билатеральные делятся на две большие группы: первичноротые (например, насекомые и моллюски) и вторичноротые (куда входит человек). В организмах обеих основных групп билатеральных есть мозг, поэтому ученые обычно считают его признаком именно этого таксона[5]. Большинство биологов склонны описывать мозг первично- и вторичноротых, используя термин «гомологичный». Дарвин был первым, кто придал ему смысл, указав, что гомологичные признаки – это те, что передаются в результате прямого наследования от общего предка. К примеру, крылья птицы и летучей мыши не гомологичны, поскольку существует множество бескрылых млекопитающих, прерывающих общую родословную этих двух видов позвоночных. Любые признаки, присутствующие у организмов, но не связанные одной линией происхождения, считаются аналогичными и возникли в результате конвергенции (сходства).

Но действительно ли мозг можно назвать признаком билатеральных? Считается, что общая структура мозга первичноротых отличается от более развитого мозга вторичноротых. У общего предка билатеральных была нервная сеть, которая охватывала большую часть его организма, а в ее переднем отделе находилось некое скопление нервных клеток, которое нейробиологи назвали бы мозгом. Некоторые нейроанатомы – специалисты по нервной системе – предполагают, что общий предок билатеральных даже имел сложную структуру, состоявшую из трех отделов.

Вполне возможно, что скопление клеток в переднем отделе нервной системы предка билатеральных начало развиваться в двух направлениях, что привело к появлению первичноротых и вторичноротых. Чтобы как-то отличать мозг первичноротых от развитого и структурированного мозга вторичноротых, я часто называю тот первомозгом. Мы можем использовать насекомых в качестве типовой системы для расшифровки того, как сенсорная информация собирается из внешнего мира и превращается в нервные импульсы, но, как только та попадает в мозг в случае вторичноротых или в первомозг у первичноротых, сходство между этими двумя типами нейронных центров заканчивается. Вероятнее всего, сбор информации органами чувств и передача ее для обработки – это единственное, что можно сопоставить у мозга и первомозга. Судя по всему, наши билатеральные предки обладали довольно обширным арсеналом сенсорных инструментов, и наблюдения за такой удивительной дифференциацией мозга и первомозга после дивергенции билатеральных ясно показывают, что этот инструментарий использовался различным образом по мере того, как один вид появлялся вслед за другим. Справедливости ради надо отметить, что некоторые исследователи приводят доводы в пользу гомологии на основе другой важной информации. Первичноротые, такие как фруктовая мушка дрозофила (Drosophila melanogaster), для нейронной обработки используют многие из тех же генов, что и вторичноротые. Кроме того, они имеют очень похожие, хотя и неидентичные структуры, где нервные клетки вступают в контакт друг с другом (так называемые синапсы – см. вставку 2.2). Но, если вдуматься, это любопытная мысль: сложный мозг сформировался как минимум дважды на этой планете – в ветке первичноротых и у вторичноротых (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сравнение мозга позвоночных (птицы и примата) с мозгом нематоды (круглого червя) и насекомого

Рис. 2.2. Структура синапса. Пресинаптическая клетка содержит синаптический пузырек (везикулу), выпускающий нейротрансмиттеры, а мембрана постсинаптической клетки содержит клеточный рецептор – белок

Если не считать мозг первичноротых тем же типом мозга, что и наш, или по крайней мере не называть его триединым, то можно использовать мозг, состоящий из трех частей, в качестве эвристического приема, чтобы понять, как эволюционировал мозг позвоночных. У организмов ранних веток вторичноротых, таких как морские звезды или морские ежи, есть нервные клетки, но они распределены по всему телу без центрального скопления клеток, которое можно было бы назвать мозгом. Некоторые ученые проявляют верх педантизма и считают, что у этих организмов, известных также как иглокожие, есть своего рода «распределенный мозг».

Следующей группой животных, которые поучаствовали в «подвешивании» человеческого мозга на древо жизни, считаются родственники иглокожих – хордовые (Chordata). У всех ее представителей, самыми первыми из которых были личиночнохордовые и головохордовые, есть нервные трубки. Личиночнохордовые, или оболочники, – довольно странные существа. Ярким представителем этого подтипа можно назвать одиночную асцидию, относящуюся к группе туникатов, получивших это название из-за защитной оболочки (туники), которая образуется у взрослых особей из материала, похожего на целлюлозу. Одиночная асцидия (как и земноводные) проходит личиночную стадию, во время которой развивается мозговой пузырь, и это позволяет нам говорить, что у нее уже есть место для мозга, хотя самого мозга там нет. Как ни странно, но, превращаясь во взрослую особь, личинка одиночной асцидии устраивает пир из собственного мозга. У личинки нет внешнего рта, чтобы заглатывать пищу, и поэтому она вынуждена искать иной способ, чтобы ее получить. А поскольку в дальнейшем крошечный комочек нервных клеток, составляющих мозговой пузырь, никак не используется взрослой асцидией, личинка реабсорбирует эту ткань. Да, мозга у них нет, но зато есть нотохорд, хотя это еще и не позвоночный столб, который на древе жизни появляется позже. У головохордовых тоже есть нервные трубки, но опять-таки нет позвоночника. Трудно однозначно утверждать, что у одного из лучших представителей этого подтипа – ланцетника – есть мозг, и на практике анатомы называют то, что можно у него считать таковым, утолщением нервной трубки. Ведь в буквальном смысле это просто небольшая выпуклость на нотохорде в области головы ланцетника.

У позвоночных есть позвоночный столб, или позвоночник, и полностью развитая нервная трубка. Одно время нейробиологам было трудно смириться с тем, что эволюция мозга позвоночных была линейной с поэтапным добавлением все более сложных деталей. Лимбическая система и кора головного мозга – два наглядных примера более сложно организованных нейронных образований, которые постепенно появились у общих предков в результате дивергенции. Можно было бы предположить, что усложненные структуры или процессы должны развиваться из простых, но на практике совсем не обязательно, что потомки всегда устроены сложнее, чем их предки. Да и результатом эволюции может быть некая упрощенная версия прототипа. Тем не менее, если отправной точкой становится примитивная структура, единственный путь ее развития – обрастать дополнительными деталями. И кажется, мозг позвоночных эволюционировал именно так: путем наслоения новых структур. Проблема в том, что непонятно, как и когда были добавлены эти слои. Схемы эволюции мозга всегда включают в себя изображение трех его основных частей, что приводит к теории триединого мозга. По определенным критериям выделяют три главных отдела мозга: ствол и мозжечок (называемые Р-комплексом, где «Р» – от слова «рептилия»), лимбическую систему и кору. Это довольно произвольное деление, и, видимо, именно поэтому некоторые нейробиологи отрицают трехчастное строение мозга. Тем не менее в качестве эвристического подхода использование триединой модели мозга позвоночных работает довольно неплохо. Но даже с учетом этого все равно остается спорным вопрос: как развивался трехчастный мозг и действительно ли он трехчастный?

Мозг предков всех позвоночных выглядел довольно примитивно, и у него либо не было коры, либо она была очень маленькая, а мозжечок находился в зачаточном состоянии. В основном поведение предков контролировалось стволом мозга и мозжечком, отвечающими за основные функции организма, такие как сердцебиение и дыхание. Обладали предки и базовыми способностями реагировать на внешний мир: мозг мог распознавать запахи, звуки и объекты. Это было то, что в классической теории триединого мозга называется рептильным мозгом. Последними слоями в схеме трехчастного мозга стали мозги палеомлекопитающих и неомлекопитающих. Большинство из тех, кто работает в сфере биологии развития, исходя из этих названий сделает вывод, что два следующих важных предка – это давно вымершие млекопитающие (млекопитающие палеоцена и неоцена). Недостаток этой схемы в том, что в ней отсутствуют птицы, у которых довольно сложные нейронные способы взаимодействия с внешним миром и чей мозг не вписывается в общий континуум. Поэтому необходимо либо пересмотреть названия предков мозга, либо предположить, как мы уже делали раньше, что мозг птиц – это другая надстройка над мозгом ящериц и его не следует отождествлять с мозгом млекопитающих. Можно переименовать рептильный мозг в мозг рыб и попытаться сделать шаг в сторону на древе жизни. Вполне возможно, что следующим будет рептильный/птичий мозг, а затем – прото/неомозг млекопитающих. Проблема этой теории в том, что некоторые биологи-эволюционисты не выделяют рыб в отдельную группу. Почему? Несмотря на то что название «рыба» носит дескриптивный характер, оно не дефинитивно, то есть не определяет какую-то группу организмов, отличающуюся от других по неким признакам, которые обычно учитывают ученые-таксономисты при систематизации. Но решить эту проблему довольно просто: надо или окрестить основные рода рыб как-то иначе, или называть всех потомков общего предка тех, кого мы привыкли считать рыбой, рыбами. Включая людей, разумеется. Так выплюнуть наживку или заглотить ее? Пока давайте-ка не будем спешить попасться на крючок и посмотрим на триединый мозг в ином ракурсе.

Если бы кто-то проанализировал все названия, которые нейробиологи давали трем главным отделам мозга, он столкнулся бы как с неким произволом, так и с высокой степенью субъективности – в зависимости от того, какие именно виды имеют те или иные структуры. И это недвусмысленно свидетельствует, что многим ученым нравится идея существования трех основных частей мозга (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Триединый мозг

Рассмотрим дивергенцию позвоночных в надежде, что это может придать нашему обсуждению некоторую объективность. После того как у общего предка рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих сформировались основные анатомические структуры основы головного мозга (внутренний мозг рыбы), появился следующий общий предок, породивший мозг всех высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих). И на этом этапе добавился еще один слой мозга, позволивший использовать более сложные способы обработки сигналов внешнего мира, поступающих от органов чувств, – наш рептильный мозг. Это привело к развитию внутренней области мозга, которая включала в себя то, что обычно называют лимбической системой. Подобный порядок отлично вписывается в теорию триединого мозга, если учесть, что лимбическая система есть у всех вышеупомянутых позвоночных. Впоследствии лимбическая система стала решать очень интересные задачи, связанные с реагированием на окружающую среду. Последней сформировалась кора головного мозга, которая у всех потомков общего предка разрасталась по-разному. Важно отметить, что неокортекс специфическим образом изменяется у потомков того самого общего предка, о чем свидетельствуют экспансия неокортекса у птиц и млекопитающих и отсутствие его расширения у рептилий. Короче говоря, неокортекс птиц – это другой вид расширения коры, отличный от экспансии неокортекса млекопитающих.

Все это означает, что сложная лимбическая система, вероятно, возникла у общего предка птиц, рептилий и млекопитающих, так же как и крошечная первичная кора. Трудно представить, что два предка (первый с крошечной первичной корой, но без лимбической системы, а второй без того и другого) существовали отдельно друг от друга, и поэтому, хотя функция и анатомия мозга являются трехсторонними, эти дополнения нельзя интерпретировать как последовательные. Часть проблемы кроется в том, как птицы связаны с другими высшими позвоночными. И опять же, должно быть, из-за птиц некоторые нейробиологи с легким пренебрежением относятся к слоистой трехчастной структуре. Но есть еще два вида животных, которые тоже нарушают эту схему: черепахи и амфибии. Черепахи, как и другие организмы с лимбической системой, имеют ретикулярное таламическое ядро (скопление нервных клеток вокруг той части лимбической системы, которая называется таламусом), но у них оно обозначено не так хорошо, как у птиц или млекопитающих. У амфибий, другого особого класса, есть некоторые структуры, напоминающие лимбическую систему, но они не так хорошо разделены на части, как даже самые примитивные лимбические системы рептилий. Подводя итог, скажу, что теория триединого строения мозга важна с эвристической точки зрения. Что же делать? Перестать выделять эту «троицу» или использовать трехчастный мозг как хорошее устройство для понимания очень сложного процесса? Думаю, что, до тех пор пока мы осознаем все ограничения представления триединого мозга и не пытаемся заставить аналогичные структуры быть гомологичными, использование теории триединого мозга в качестве исследовательской установки – дорога в правильном направлении.

Как развивался сложный мозг, интегрирующий сенсорную информацию из внешнего мира? Современные биологи стараются не приписывать естественному отбору слишком уж многое из достижений эволюции, которые мы видим в природе. В конце 70-х годов XX века Ричард Левонтин и Стивен Джей Гулд пришли к выводу, что большая часть эволюционной биологии, особенно эволюционной биологии человека, состоит из «простых сказок»[6]. Они назвали это парадигмой Панглосса – в честь доктора Панглосса из романа Вольтера «Кандид». Доктор Панглосс во всем видел предназначение («Все, что ни делается, все к лучшему в этом лучшем из миров»), а адаптационистская программа, которую критиковали Левонтин и Гулд, была в то время настолько распространенной в биологии, что это название попало прямо в точку.

Я хочу упростить потенциал естественного отбора в эволюции интеграции чувств с восприятием. Но имейте в виду, что не все особенности, которые мы наблюдаем в природе, являются результатом естественного отбора. Кроме того, эволюция не стремится к совершенству, как позволяет предположить диапазон наших чувств. Как раз наоборот: эволюционный процесс просто находит оптимальное решение для задачи, поставленной внешним миром, и, следовательно, многие наблюдаемые в природе характеристики – это не идеально возможный вариант, а скорее полумеры, которые быстро и эффективно помогли справиться с возникшими проблемами.

Давайте трижды подумаем и разделим характерные для организмов взаимодействия с окружающей средой на три основные категории – так мы упростим понимание. Эту идею предложил мой друг-палеонтолог, человек с очень изобретательным умом. Когда я был доцентом в Йельском университете, он, тогда еще молодой аспирант, проходил у меня курс. Размышлял он довольно просто, и, вероятно, именно это помогло ему придумать более чем упрощенную схему того, как животные выживают в мире природы. Его схема начинается с того, что животное вступает в контакт с другим организмом. Чтобы повысить выживаемость вида, у животного-наблюдателя возникает необходимость классифицировать чужака. Это просто. Если незнакомец – представитель противоположного пола, то он маркируется как «партнер» («я спариваюсь с ним»). Если наблюдатель считает чужака опасным, то тот попадает в категорию «враг» («я убегаю от него»). Последний возможный вариант – «пища» («я его ем»).

По мере накопления опыта организм, конечно, будет переосмысливать свои интерпретации каждой из категорий. Например, наши предки Homo sapiens изменили критерии для «партнера», и для продолжения рода стало не важно, принадлежит ли незнакомец к тому же виду или нет. Если чужак стоял вертикально на двух ногах, то он автоматически классифицировался как потенциальный партнер, о чем свидетельствуют данные секвенирования генома, указывающие на вероятность скрещивания нашего вида с архаичными людьми, такими как неандертальцы. А вот категория «враг», пожалуй, самая непредсказуемая: огромный на вид чужак частенько совсем не опасен для наблюдателя и, вероятно, даже полезен, а маленькое милое существо вполне может оказаться злобным и агрессивным. Кроме того, иногда наблюдателю хочется прочь бежать и от представителей своего рода, и это легко понять. Да и с «пищей» тоже не все так просто: для принятия решения нередко необходимо обнюхать незнакомца, попробовать его на вкус или хотя бы хорошенько рассмотреть. Чем быстрее и эффективнее организмы определяют, в какую из трех этих категорий поместить других живых существ из своего ближайшего окружения, тем у них больше шансов выжить и передать свои гены следующему поколению. Эволюционируют популяции, а не отдельные особи (индивиды живут и умирают, а не эволюционируют). Тот факт, что популяции эволюционируют, означает, что каждая из трех основных категорий классификации вариативна и зависит от приобретенного опыта индивидов. Вариация – это то, над чем работает естественный отбор. Она зарождается из генетического состава популяции: часто возникающая мутация вызывает вариацию. Вариация будет проявляться в точном соответствии с опробованной предыдущими поколениями классификацией встречающихся организмов по категориям и необходимым для адекватной реакции временем. Если особь в популяции медлительна и неразборчива, она проигрывает! И она, и гены, которые могли бы быть переданы популяции следующего поколения, исчезают.