Глава 8. Движение в низких измерениях

. Кинетика, кинематика и снижение размерности

В середине 1990-х годов редактор местной газеты в Хьюстоне, штат Техас, обратился в Медицинский колледж Бэйлора в надежде получить помощь в решении проблемы, связанной с его левой рукой. В течение последних нескольких недель пальцы этой руки были слабыми, а кончики пальцев онемели. Мужчина, заядлый курильщик и любитель выпить, показался врачам вполне здоровым. Увидев онемение, врачи сначала искали защемление нерва в запястье. Ничего не обнаружив, они проверили спинной мозг, подозревая, что виной тому может быть поражение спинномозговых нервов. Когда и это дало отрицательный результат, врачи пошли дальше и провели сканирование мозга. Они обнаружили опухоль размером с крупную виноградину, расположенную в правой части морщинистой поверхности мозга мужчины. Она находилась на полпути между правым виском и макушкой головы, в центре области, известной как моторная кора.

Моторная кора имеет форму двух тонких полосок, начинающихся на макушке головы и идущих вниз с каждой стороны, образуя ободок, пересекающий верхнюю часть мозга. Разные части каждой полоски контролируют разные части противоположной стороны тела. В случае с редактором газеты опухоль находилась в области правой моторной коры, контролирующей руки. Она также немного распространялась на сенсорную кору - аналогично расположенную полосу сразу за моторной корой, которая контролирует ощущения. Такое расположение объясняет слабость и онемение - проблемы, которые исчезли после хирургического удаления опухоли.

С момента своего открытия около 150 лет назад моторная кора оказалась в центре многих споров. То, что мозг управляет телом, не вызывает сомнений; данные о травмах указывали на этот факт еще в эпоху пирамид в Древнем Египте. Но как он это делает - другой вопрос.

В некотором смысле связь между моторной корой и движением очень проста. Эта связь идет по пути, противоположному исследованию, проведенному врачами из Бэйлора: нейроны моторной коры с одной стороны мозга посылают сигналы нейронам спинного мозга с другой стороны, а эти нейроны спинного мозга идут прямо к определенным мышечным волокнам. Место, где нейрон спинного мозга встречается с мышцей, называется нервно-мышечным соединением. Когда этот нейрон срабатывает, он высвобождает нейромедиатор ацетилхолин в этом соединении. В ответ на ацетилхолин мышечные волокна сокращаются, и происходит движение. Через этот путь нейроны в коре головного мозга могут напрямую управлять мышцами.

Но это не единственная дорога между моторной корой и мышцами. Другие пути более извилисты. Некоторые нейроны моторной коры, например, посылают свои выходы в промежуточные области, такие как ствол мозга, базальные ганглии и мозжечок. Из этих областей связи переходят в спинной мозг. Каждая такая остановка дает возможность для дальнейшей обработки сигнала, что приводит к изменению сообщения, которое отправляется в мышцы. Более того, даже самые прямые пути не всегда просты: нейроны из моторной коры могут соединяться с множеством различных нейронов в спинном мозге, которые активируют и тормозят разные группы мышц. Таким образом, существует множество каналов, по которым кора головного мозга может общаться с мышцами, и множество возможных сообщений, которые могут быть отправлены. Влияние моторной коры на организм может быть не прямым, а очень распределенным.

Вдобавок к этой путанице под сомнение была поставлена сама необходимость существования моторной коры. Когда кора отключена от остальной части мозга, животные не могут сами инициировать многие сложные движения, но они все еще могут выполнять некоторые хорошо отработанные модели поведения. Например, такие "декортицированные" кошки будут бить когтями и наносить удары, если их сдержать, а декортицированные самцы крыс все еще способны совокупляться, если рядом находится самка. Таким образом, для некоторых из наиболее важных для выживания форм поведения моторная кора кажется излишней.

Движение - как единственный способ общения мозга с миром - является важнейшей частью головоломки неврологии. Однако точное назначение двигательной коры вызывает споры, и ее анатомия также мало помогает в ее понимании. Без этих данных трудно понять, что именно пытается сказать моторная кора. Однако, учитывая множество важных мотивов, побуждающих разобраться в загадке движения - лечение двигательных заболеваний, создание человекоподобных роботов и т. д. - ученые постоянно предпринимают попытки. На первых порах это выражалось в ожесточенных спорах о том, какие движения генерирует моторная кора. Затем последовало шествие математических методов, позволяющих понять активность ее нейронов. Хотя некоторые из самых бурных споров удалось взять под контроль, изучение моторной коры - возможно, в большей степени, чем большинство других областей нейронауки, - и сегодня переживает бурные времена.

* * *

Густав Фрич и Эдуард Хитциг изучали медицину в Берлинском университете в середине XIX века, хотя их пути там не пересеклись. После окончания медицинского факультета, как гласит история, Фрич перевязывал рану на голове во время второй датско-прусской войны, когда он понял, что определенные раздражения открытого мозга вызывают мышечные спазмы в противоположной стороне тела солдата. Хитциг, напротив, якобы занимался электрошоковой терапией, когда заметил, что удары по определенным частям головы вызывают движения глаз. Каждый врач был поражен своим собственным любопытным наблюдением и тем, какие последствия оно могло иметь. Фритч и Хитциг встретились, когда Фритч вернулся в Берлин в конце 1860-х годов. Пара решила объединить усилия, чтобы исследовать то, что тогда считалось абсурдной гипотезой: что кора головного мозга может управлять движениями.

Представление о том, что кора головного мозга вообще что-то делает, в то время считалось радикальным. Кортекс - от латинского "кожура" - считался инертной внешней оболочкой, слоем нейронной ткани, покрывающей важные области мозга, находящиеся под ним. Такое мнение сложилось в результате нескольких предыдущих экспериментов, в которых пытались стимулировать кору, но не смогли вызвать никаких интересных реакций (в ретроспективе становится ясно, что это было связано в основном с неподходящими методами стимуляции, такими как щипки, укалывание или обливание коры алкоголем). Однако Фрича, путешественника, который занимался многими вопросами, и Хитцига, сурового, гордого и тщеславного человека, подтолкнули их собственное любопытство и высокомерие, чтобы преодолеть барьер устоявшихся представлений.

Итак, на столе в доме Хитцига (Физиологический институт не располагал оборудованием для этой новой методики) Фрич и Хитциг начали электрически стимулировать кору головного мозга собак. Они подготовили платиновый электрод, прикрепив его к батарее и постучав им по языку, чтобы проверить силу тока (как сообщается, он был "достаточной интенсивности, чтобы вызвать отчетливые ощущения"). Затем они очень кратковременно прикоснулись кончиком электрода к различным участкам мозга, наблюдая за любыми движениями, которые возникали в результате. Они обнаружили, что стимуляция коры головного мозга действительно может вызвать движения - короткие подергивания или спазмы небольших групп мышц на противоположной стороне тела. При этом место стимуляции имело значение - оно определяло, какая часть тела, если таковая имелась, будет двигаться.

Последний вывод был, пожалуй, еще более еретическим, чем первый. В то время даже те немногие ученые, которые считали, что кора головного мозга может делать что-то полезное, все еще предполагали, что она работает как недифференцированная масса - паутина тканей без функциональной специализации. Не предполагалось, что она имеет упорядоченное расположение, при котором все двигательные функции располагаются одной полосой в передней части мозга. Однако стимуляция Фрича и Хитцига предполагала именно это. Проверяя свою теорию, Фрич и Хитциг нанесли на карту участок мозга, отвечающий за определенную область тела, и вырезали его, наблюдая за тем, как это повлияет на движения. Как правило, такие повреждения не приводили к полному параличу пораженной части тела, но значительно ухудшали ее контроль и функции. Доказательств существования моторной коры становилось все больше.

Работа этого немецкого дуэта совпала с открытиями другого врача, Джона Хьюлингса Джексона, который также указал на причастность этой области мозга к управлению моторикой у человека. Благодаря этим совместным открытиям середина XIX века стала поворотным пунктом в понимании роли коры головного мозга в движении - и в нейронауке в целом. Ученым пришлось столкнуться с мыслью о том, что не только кора головного мозга может что-то делать, но и ее отдельные участки могут выполнять разные функции. Воодушевленный этими неспокойными временами, подопечный Джексона по имени Дэвид Феррье приступил к детальному изучению коры головного мозга.

В 1873 году Ферриер получил возможность проводить эксперименты с двигательной системой в приюте дляWest Riding. Работая в этом престижном викторианском психиатрическом учреждении и исследовательском центре, Феррье смог воспроизвести результаты исследований Фрича и Хитцига - как стимуляцию, так и поражение - на собаках. Он также показал, что те же принципы применимы к целому ряду других животных, включая шакалов, кошек, кроликов, крыс, рыб и лягушек. Затем Феррье отправился в подробную экспедицию в двигательную зону обезьян, надеясь получить карту, которая помогла бы хирургам безопасно удалять опухоли и тромбы из мозга человека.3