Точность измерений в их опытах оставляла желать лучшего. Ученые заявили только, что у одной собаки удалили мозговую ткань «размером с небольшую линзу», а у другой – «побольше»2. Однако у обеих собак проявились одинаковые симптомы – разной была лишь степень их проявления. Лапа, противоположная поврежденному полушарию мозга, уже не слушалась собаку как прежде. При ходьбе она уезжала в сторону, из-за чего животное падало. Если собака садилась, то эта лапа не поддерживала ее вес и животное валилось набок.
После повреждения мозга собак не парализовало, но они испытывали очевидные трудности в передвижении. Причем симптомы касались именно тех частей тела, которые до этого невольно двигались из-за электрической стимуляции удаленных впоследствии областей мозга. Фрич и Гитциг нашли то, что искали: они открыли двигательную кору головного мозга.
Двигательная кора головного мозга
Фрич и Гитциг определили, что часть коры собачьего мозга отвечает за движение. Последующие исследования подтвердили, что двигательная кора есть и у людей. Однако нейробиологам понадобилось еще какое-то время, чтобы разобраться в том, как она устроена. Добиться этого им удалось в основном благодаря электростимуляции мозга пациентов с эпилепсией. Пик подобных исследований пришелся на конец XIX – начало XX в.
В конце XIX столетия немецкий нейрохирург Федор Краузе впервые вылечил эпилепсию хирургическим путем. Он использовал легкие удары током, чтобы активировать различные участки открытой коры головного мозга пациента без анестезии и обнаружить область, которая вызывает симптомы, предшествующие припадкам (ауру – изменения в восприятии, которые пациенты с эпилепсией испытывают незадолго до припадка). Найдя соответствующую зону, Краузе удалил расположенную там мозговую ткань. Поскольку этот участок мозга отвечал за симптомы эпилепсии, количество припадков у пациента уменьшилось.
Двигательный гомункулус Пенфилда. Двигательная кора – это крупная серая зона головного мозга. Изображения частей тела наложены на те области двигательной коры, которыми они «управляют». Размеры частей тела соотносятся с размерами зон двигательной коры, которые за них отвечают (например, на руки приходится большая площадь двигательной коры, чем на ноги)
В ходе операции помощник Краузе записывал, что происходит после электростимуляции того или иного участка мозга. Благодаря этому ученый нашел у человека то же, что Фрич и Гитциг обнаружили у собак, – область коры головного мозга, которая при стимуляции приводит тело в движение. Совсем как Фрич и Гитциг, Краузе обнаружил, что стимуляция различных участков коры мозга приводит к движению различных частей тела. Когда он стимулировал один участок, пациент невольно дергал ногой, другой – рукой и т. д.
На основе наблюдений Краузе был сделан вывод, что двигательная кора – своего рода «карта», где каждая область привязана к различным частям тела. Чем сложнее движения части тела, тем больше «территории» ей отведено. Например, за движение рук отвечает крупная область коры мозга, в то время как на пальцы ног выделен совсем маленький участок.
Несколько десятков лет спустя известный нейрохирург Уайлдер Пенфилд уточнил наблюдения Краузе: точно так же стимулируя участки мозга пациентов перед операцией, он создал более подробную карту двигательной (а также остальной) коры головного мозга. Затем Пенфилд заплатил местному художнику, чтобы тот нарисовал, как различные участки двигательной коры (а также сенсорной коры, которую мы рассмотрим позже) связаны с различными частями тела. Получившееся изображение назвали двигательным гомункулусом, или «человечком Пенфилда». Размеры частей тела этого человечка зависят от того, насколько крупные участки коры мозга отвечают за их движение (у него огромные ручищи и маленькие ножки).
Хотя изображение двигательного человечка можно встретить почти в каждой современной книге по введению в нейробиологию, со временем ученые выяснили, что настолько простая схема не передает полной картины. Что, если она связывает области коры мозга не столько с мышцами или частями тела, сколько с определенными движениями – каждое из которых зависит от сокращения целого набора одних мышц и онемения других? По правде говоря, нейробиологи до сих пор спорят о том, как именно читать карты двигательной коры мозга3 (о чем редко говорится в книгах).
Двигательная кора в действии
Еще до подробного обозначения областей двигательной коры были выявлены проводящие пути, которые способствуют тем или иным движениям. Самый крупный из них начинается с клеток двигательной коры, которые направляют аксоны через головной мозг в спинной. Этот путь называют кортико-спинальным трактом из-за его направления (от коры головного мозга к спинному).
Получив сигнал через кортико-спинальный тракт, нейроны спинного мозга направляют сигнал к мышцам, и те сокращаются. Сигнал, активирующий мышцы одной половины тела, обычно исходит от противоположного полушария мозга. Дело в том, что большинство аксонов в кортико-спинальном тракте по достижении ствола мозга перекрещиваются и переходят из одного полушария в другое. Далее они движутся по стороне тела, противоположной тому полушарию, из которого вышли изначально.
В конце XIX в. был создан моторный гомункулус, отражающий связь участков двигательной коры с частями тела человека.
Это явление, научно называемое декуссацией (перекрестом), помогает врачам. Если «Скорая помощь» доставляет человека с такими симптомами, как головная боль, размытое зрение, помутнение сознания и онемение левой половины тела, то врач наверняка заключит, что у пациента инсульт, который поразил правое полушарие его мозга. Ведь нейроны в кортико-спинальном тракте, отвечающие за левую половину тела, возникают в правом полушарии головного мозга.
Корректировка движений
Теперь мы знаем, что решение, скажем, взять чашку кофе правой рукой начинается с клеток в двигательной коре левого полушария головного мозга. Эти клетки отправляют сигнал нейронам в спинном мозге по кортико-спинальному тракту. Затем сигнал передается мышцам правой руки. Мышцы в вашей правой руке сокращаются, и – вуаля! – кофе у вас в руках.
Звучит довольно просто, но это лишь поверхностный взгляд на моторику. В приведенном примере задействовано намного больше процессов, благодаря которым, потянувшись за кофе, вы берете чашку пальцами, а не промахиваетесь или вообще сбиваете чашку со стола. Кроме того, множество нейронов следит за тем, чтобы движение было плавным, а не резким и дерганым. Пока вы выполняете, как вам кажется, простое слитное движение, ваш мозг постоянно что-то просчитывает и поправляет, причем настолько умело, что вы этого даже не замечаете.
Для корректировки движений мозг использует множество участков, однако два самых важных из них – это мозжечок и набор структур, называемый базальным ядром.
«Маленький мозг»
Мозжечок – одна из самых узнаваемых структур мозга. Он выступает из-под задней части коры головного мозга и по форме немного напоминает сам мозг – только маленький. Отсюда и название – «мозжечок».
Несмотря на размер, мозжечок содержит множество расположенных плотно друг к другу нейронов. Он занимает около 10 % от всего объема мозга, а содержит 80 % всех находящихся в мозге нейронов4.
Сейчас вы решите, что участок мозга с таким огромным количеством нейронов выполняет множество задач. И будете правы, поскольку считается, что мозжечок отвечает и за эмоции, и за речь, и за различные формы мышления. В первую же очередь его привыкли связывать с движением.
Мозжечок выполняет различные двигательные функции. Например, отвечает за корректировку движений, о которой было сказано выше.
Давайте вернемся к примеру с чашкой кофе. Когда вы вытягиваете руку, мозжечок с помощью рецепторов в ваших мышцах и суставах получает сведения об ее расположении в пространстве (то есть проприоцептивную информацию). Затем он просчитывает, где ваша рука сейчас и где она должна оказаться, чтобы выполнить поставленную задачу. Если мозжечок видит, что рука движется не туда и может промахнуться, то вносит поправки в изначальные планы двигательной коры, благодаря чему вы благополучно дотягиваетесь до чашки.
Поскольку мозжечку приходится вносить подобные поправки постоянно, движение вашей руки – на самом деле множество мелких движений, которые обычному наблюдателю кажутся единым целым. Рука бесчисленное количество раз норовит слегка отклониться, но неизменно возвращается к намеченному курсу. Почти как самолет летит из Нью-Йорка в Сан-Франциско: маршрут кажется прямым, но из-за ветра, погодных изменений и других самолетов он никогда не будет одинаковым и идеально прямым. Если пошагово отследить полет, то будет видно, что самолет часто немного отклоняется, прежде чем вернуться к запланированному курсу.
Мозжечок вносит правки в движения буквально за миллисекунды, а само изменение настолько мало, что его не видно. В результате ваше движение непрерывно, а рука не дергается из стороны в сторону. Быстрая корректировка делает движение плавным, точным и сосредоточенным. Происходящее, кажется, не стоит нам никаких усилий, а мозг тем временем стремительно просчитывает все до последней мелочи.
И это лишь одна из двигательных функций мозжечка. Он помогает нам сохранять равновесие и планирует движения до того, как мы их совершим. Считается, что мозжечок участвует в запоминании заданий, для выполнения которых нужно совершать несколько действий в определенном порядке – как когда человек учится ездить на велосипеде.
Роль мозжечка в моторике становится очевиднее, если взглянуть на пациентов, у которых этот участок мозга поврежден. Обычно такое происходит из-за инсульта, который способен привести к мозжечковой атаксии. Термин «атаксия» используется для состояний, характеризующихся нарушениями в моторике. Мозжечковая атаксия приводит к тому, что пациенты не способны полноценно управлять своим телом, их движения могут быть медленными, рваными и перемежаться дрожью. Симптомы мозжечковой атаксии различны: в зависимости от того, какая часть мозжечка поражена, они могут представлять собой как неспособность удерживать равновесие, так и эмоциональные и когнитивные нарушения.