Особенности развития мозга у животных и у человека

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Мозг, как известно, строит модели. В этом деле он так преуспел, что для объяснения собственного устройства предлагает нам достаточное количество вариантов. Зная его изобретательность, еще Рене Декарт советовал опираться только на опыт. Поэтому успехи наук, начинающихся со слова «нейро», тесно связаны с ювелирными достижениями современного экспериментального мастерства. Прооперировать зародыш, ввести в нервную клетку тончайший электрод — это будни сегодняшней нейрофизиологической лаборатории. Начиная изучать радиотехнику, никто не станет копаться в схеме последнего супергетеродина, а, скорее всего, соберет простейший детекторный приемник, наподобие тех, которыми увлекались энтузиасты тридцатых годов прошлого ХХ века. Так же поступают часто и исследователи функций мозга. Желая упростить модель, они расчленяют мозг хирургическим путем, выключают некоторые его отделы наркозом, проводят исследования на примитивных организмах.

К слову подобные научные исследования с применением наркоза часто проводится при помощи специальных наркозных аппаратов, приобрести такие можно по ссылке https://medeq.ru/store/anesteziologiya-i-reanimaciya/narkozno-dyhatelnye-apparaty.

На этом пути достигнуты большие успехи, и все же в этом случае мы имеем дело с психикой-инвалидом. Весьма перспективным может оказаться другой путь, выдвинутый Петром Кузьмичем Анохиным, — когда используется упрощенная схема, изготовленная самой природой. Ведь в процессе индивидуального развития, или, как говорят ученые, онтогенеза, нервная система не сразу достигает конечной сложности. Где-то вначале она проходит «детекторную» стадию.

Преимущество такого подхода в том, что сама природа демонстрирует свои руководящие мотивы. При этом изучаются истоки высшей нервной деятельности, а главное — динамика ее эволюции. В натуральных условиях важнейшие функции мозга проходят все стадии, начиная от самых примитивных. Особенность онтогенетического развития та, что природа никогда не разрушает своих первоначальных построек. И отдельная нервная клетка, и целые структуры, и весь мозг с самого возникновения работают по тем же фундаментальным принципам, что и в зрелом организме. С возрастом у нервной системы просто появляется другой набор средств и возможностей. Это обстоятельство помогает определить, без чего мозг еще может обойтись и что для него жизненно необходимо.

В Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии лаборатория онтогенеза функций мозга, руководимая доктором биологических наук Кирой Васильевной Шулейкиной, изучает самые ранние, самые общие для всех млекопитающих функции. Они возникли на очень ранних стадиях развития живого и унаследованы нами от далеких предков. Едва появившись на свет, детеныш должен уметь питаться, обороняться и находить дорогу к дому.

Кажется, как может защищаться беспомощный человеческий младенец? Известно, что оборонительная реакция появляется у эмбриона человека еще на восьмой неделе развития. Если прикоснуться к нему, он отводит голову. Так проявляется древнейшая форма защитного поведения — попытка отстраниться от опасности. И вот что любопытно. Движение головы регулируют специальные мотонейроны, расположенные в спинном мозге. Наталье Григорьевне Гладкович удалось показать, что эта реакция появляется только тогда, когда обеспечивающие ее нервные и мышечные структуры соединятся с головным мозгом. Это удивительный факт, потому что необходимые связи на уровне спинного мозга уже существуют, и, казалось бы, зачем им ждать сигналов «сверху».

Потихоньку, шаг за шагом укомплектовывается нервная сеть, достигает нормальной морфологической полноты. И здесь нейрофизиологи обнаружили такой парадокс. Какая-нибудь структура уже готова для работы, но почему-то бездействует, словно в подготовленную к пуску электросистему еще не дали ток. Профессор Е. Н. Соколов, работая на моллюсках, выдвинул гипотезу, что в организме существует особая сеть так называемых командных нейронов. Именно она разыгрывает партитуру настройки организма на нормальную деятельность, определяет порядок подключения тех или иных систем, то есть реализует врожденную генетическую программу. Возможно, что работа лаборатории дает какое-то подтверждение этой идеи на примере развития высших организмов.

Но как все это происходит? Какие инструменты, настроившись, исполняют величественную программу жизни? Один из ответов на этот вопрос может дать изучение нейрохимических механизмов.

Владимир Вячеславович Раевский попытался установить, каким образом включается «рубильник» нервных коммуникаций. На этот раз эксперименты проводились на кошках. У котенка еще не открылись глаза, не функционирует слух, но принимать пищу необходимо начинать с первого же дня. Поэтому вкусовые ощущения, чувство прикосновения и управление мускулатурой языка должны развиваться самыми первыми.

Морфологи уже давно установили, что информация о сладком, горьком, кислом и соленом поступает в кору больших полушарий через отдел мозга, названный таламусом. Здесь же происходит и ранняя обработка поступивших сигналов. Но мозг еще не родившегося котенка не реагирует ни на сладкое, ни на горькое. Чего же не хватает?

К нейрону подвели набор тончайших электродов — пять капилляров, общая толщина которых не превышает шести микрон. Один капилляр заполнен электролитическим раствором, и через него осуществлялась регистрация активности нервной клетки, а остальные содержали разные биологически активные вещества. Нейрохимикам было уже известно, что каждое из этих веществ является медиатором, то есть позволяет отдельным нейронам сливаться в единую нервную цепь, устанавливая контакт на стыках нервных клеток — синапсах.

Здесь выяснилось, что нейрон, «почувствовавший вкус» медиатора норадреналина, сразу приступает к работе. Норадреналин словно пробуждает нейроны от сна. Из большого количества медиаторных систем в условиях преджизни одна из них (адренергическая) осуществляет консолидирующее влияние на нейроны мозга, заставляя их объединяться в системы, призванные обеспечить выживание новорожденного.

Но вот живое существо появилось на свет. И жизнь начинает вносить свои коррективы. Шли и до сих пор идут среди ученых горячие споры о том, что в поведении животных врожденное, а что — приобретенное. Как жизненный опыт фиксируется и каким образом влияет на функции конкретных мозговых структур?

Пытаясь найти разгадку, ученые давно уже стали изучать «музыкальные» способности птиц. Выяснилось, что воспитанный в одиночестве зяблик, хотя никогда и не слышал своей видовой песни, все равно затянет именно эту мелодию. Есть птицы, склонные к подражанию,— попав в чужой хор, они подпевают. Существует и середина. Даже для птиц все достаточно сложно. Поэтому и здесь есть смысл применить методы онтогенеза.

Весной Сергей Наумович Хаютин и его сотрудники выезжают в экспедицию в заповедники — они исследуют поведение птиц, чьи птенцы появляются слепыми. Ведь на них очень удобно изучать пищевые реакции. Родитель прилетел с гусеницей. Птенец, как и положено, широко открывает рот. Как он узнал, что его собираются кормить? Конечно, на слух. Свист крыльев, характерные звуки, издаваемые отцом или матерью, предупреждают его. А если записать все эти шумы на диктофон и прокрутить их у гнезда? Птенцы поднимут писк, раскрывая рты. Меняя частотные и энергетические параметры записи, можно установить, что есть определенный диапазон, в котором гарантируется пищевая реакция.

На пятый или шестой день у птенцов открываются глаза. Теперь музыкальное приглашение к обеду не дает никакого эффекта. В ход пущен совершенно иной механизм — зрительный. Правда, малыши еще подслеповаты. Поэтому достаточно изменить освещенность, затенив гнездо, как сразу начнется обеденная суета. Проходит еще пара дней, и требуется гораздо более тонкий подход. Пищевая реакция наступает только тогда, когда перед птенцами появляется птица или ученые перемещают ее контур. Еще несколько дней — и никаким выкрутасам не создать иллюзии, что «ваша мама пришла, молока принесла». Слишком зоркими становятся птенцы.

Собственно говоря, все эти наблюдения относятся пока не к нейрофизиологии, а к этологии, науке о поведении животных. Но то, что для этолога является результатом работы, для нейрофизиолога служит только началом исследований. Теперь начинается этап, который позволит выяснить, что конкретно изменяется в мозгу птиц при этой смене программ.

Нет никакого сомнения в том, что итоги изучения неоперившихся птенцов смогут многое рассказать нам и о самих себе. Вот, например, любопытный факт. Вылупляются птенцы с разбросом в несколько дней, а через три недели, практически одновременно, вылетают из гнезда. Как же удается младшим ликвидировать столь большое отставание в развитии? Тем более, что и пищи им достается меньше, и родительского внимания тоже.

Нейрофизиологи считают, что акселерация объясняется только средой. Запоздавшие птенцы сразу попадают во взрослую компанию, вступают в контакт со своими более развитыми братьями и сестрами, и этот факт является решающим. Может быть, и двигателем человеческой акселерации является не столько изменение в питании, сколько возросший поток информации в детстве.

Автор: Н. С. Филиппова.