От лат. encephalon < греч. enkephalon (en-kephalon) – буквально, то, что находится в голове. Головной мозг – это орган, позволивший передавать и принимать негенетическим путём эволюционно значимую информацию от поколения к поколению; это орган приспособленный исключительно для обучения, а человек – это “постоянно обучающееся животное”. Головной мозг человека представляет собой парный орган, состоящий на 60 % из липидов (относительно сухой массы), который, обладая невероятной гетерогенностью, является самым казуистически сложным из всех известных “устройств” (Koch C., Laurent G. Complexity and nervous sistem, Science. 1999), которое английский физиолог Уорд Холстед назвал “повозкой, на которой едет всё” (см. также Комиссура, Мозолистое тело). Он управляет всем сложнейшим “хозяйством” под названием организм, включая не только физиологические функции и всевозможные движения тела в пространстве, но и его разнообразные психические функции, чувства, а также когнитивные функции, мышление, память, речь, творчество и тем, что называют личностным континуумом. Мозг – это “Царь в голове” (см. книгу Элхонона Голдберга “Управляющий мозг, лобные доли, лидерство и цивилизация”. М.: Смысл, 2003), порождающий и поощряющий лень и создающий зону комфорта. Это орган адаптации и приспособления к постоянно изменяющимся условиям внешней среды (эволюционно головной мозг человека развивался в условиях перманентной средовой неопределённости, чего уже нельзя сказать про предопределённую жизнь современного человека), который, к тому же, не только отражает, но и дорисовывает картины реальности. Традиционная точка зрения на мозг рассматривает его как орган выживания и адаптации высших организмов* и, особенно, человека. Считается, что стремление выжить определяет стратегию поведения организмов, обеспечиваемую мозгом. Всё то, что отбирается организмом в качестве полезного, мозг фиксирует как награду, и в этом заключается поразительный дар эволюции. Несмотря на сложность и специализацию анатомической структуры мозга, каждая его область многофункциональна и при “сбое” в одном участке, другие области могут взять на себя его функции. Отличительное свойство мозга человека от мозга других животных – способность генерировать язык, который по Ноаму Хомскому буквально имманентно встроен в наш мозг (в мозг буквально “вшиты” языковые алгоритмы, применяемые всеми людьми автоматически)**. Одновременно мозг является материальной базой одарённости (талантов) и всех известных способностей человека (или их отсутствия). Наиболее сильные различия между отдельными людьми заключаются именно в тонкой организации (архитектонике) и функционировании мозга, однако, при этом у всех людей, в независимости от пола, возраста или расы, практически одинаковая генетическая карта активности мозга в разных его областях!
По современным воззрениям мозг человека развивался в результате конфликта между теми, кто хотел подчинять себе других и теми, кто не хотел подчиняться. В процессе онтогенеза мозг окончательно формируется только к 12-ти годам, увеличиваясь в 4 раза от рождения до взросления, но не за счёт увеличения числа нейронов, а за счёт числа и ветвления дендритов и процесса миелинизации (см. Гирификация). Считается также, что к увеличению размеров головного мозга у человека могла привести затянувшаяся инфантильность. (Следует отметить, что мозг человека созревает много медленнее, чем, например, мозг макаки; трёхмесячный детёныш макаки много сообразительнее, чем ребёнок такого же возраста.) Около 20 % нейронов мозга в норме регенерируют, в то же время с возрастом ежегодно может безвозвратно теряться до 30 г массы мозга. Форма мозга уникальна для каждого человека и скрыта от глаз, пока человек жив. Процесс эмбрионального морфогенеза мозга связан с потерей до 65% образующихся нейронов. Мозг человека содержит от 86 до 100 (150?) млрд. нейронов***, подразделяющихся на тысячи типов и образующих между собой в совокупности более 100 трлн. связей (синапсов), в результате чего возникает сложнейшая трёхмерная нейронная сеть с множеством петель обратной связи, постоянно изменяющаяся в процессе жизни по мере приобретения нового опыта и обучения. “Монтаж” нервных цепей обеспечивается белками адгезии, такими как кадхерины, согласно механизмам реализации так называемого адгезивного кода. Мозг работает по сетевому принципу, поэтому делить его на части, вычленяя главные или наиболее важные, нельзя, поскольку мозг функционально един (кроме того, для значительной части коры головного мозга характерна удивительная гистологическая однородность). Следует подчеркнуть, что сложность мозга создаётся не столько числом клеток, которое в принципе ограничено его размерами, сколько характером межнейронных связей, постоянно обновляющихся и перестраивающихся, и в этой перестройке заключается главная отличительная сущность мозга.
“Мозг функционирует как массивная параллельная сеть, где основным элементом кода является момент синхронизации разных клеток с их опытом, в результате чего и возникает то субъективное ощущение, мысль или действие, которые занимают в этот миг театр сознания, поле нашего внимания”.
Академик К. В. Анохин.
Головной мозг не только ребёнка, но и взрослого человека чрезвычайно пластичен. Он устроен таким образом, что информация, поступающая в него извне, изменяет его структуру (думается, что изменения касаются, прежде всего, характера экспрессии генов), хотя сам мозг кодируется высококонсервативным геномом. Пластичность мозга подтверждается уже тем фактом, что он всегда приспосабливается к тому или иному языку, буквально, оккупирующему его как вирус. Он также всегда перестраивается в процессе приобретения новых умений и навыков. Уже хорошо известно, что новизна и неожиданность, новая информация (как говорят нейрофизиологи, содержательное общение) – это главные инструменты развития мозга, именно они изменяют на эпигенетическом уровне работу генов в нейронах коры в процессе обучения. Существует необъяснимый парадокс – качество и количество информации, поступающей в мозг в одних и тех же условиях, полностью зависит от воспринимающего субъекта; при этом мозг не только отражает, но и постоянно достраивает, исправляет и улучшает внешнюю картину мира, создавая новые смыслы и образы. В коре головного мозга человека находится 14–16 млрд. нейронов (см. Мозжечок), а его масса составляет в среднем около 1400 г., что на 50 % больше, чем масса мозга большого шимпанзе (в то же время масса тела человека в среднем только на 20 % больше массы тела шимпанзе). Такие сильно выраженные различия сформировались всего за ∼6 млн. лет после начала дивергенции (расхождения) двух видов гоминид. Если сравнивать различные виды приматов и человека, то легко прийти к выводу, что размер головного мозга – не только показатель интеллекта, но и главный орган эволюционного развития. В коре головного мозга обнаружено примерно 50 функциональных зон и ещё 150 в его подкорковых структурах. Различными методами сканирования мозга показано, что у людей одного пола коэффициент IQ тем выше, чем больше объём мозга****. С энергетической точки зрения головной мозг самый “дорогостоящий” орган, поскольку при интенсивной умственной деятельности на него, составляющего всего 2 % от общей массы тела, расходуется ∼20–25 % энергии, получаемой организмом (в состоянии покоя ∼10 %). Соответственно мозг потребляет ∼20 % получаемого организмом кислорода. Однако, головной мозг чрезвычайно привередлив, поскольку нейроны в качестве источника энергии используют только глюкозу! (Вот почему выраженная гипогликемия так губительна для мозга.) Из клеток мозга лишь астроциты могут окислять свободные жирные кислоты. Только при длительном голодании и полном истощении организма мозг может окислять β-гидроксибутират (β-оксимасляная кислота из группы кетоновых тел).
Обнаружено, что интенсивность развития мозга и, соответственно, его конечные размеры зависят от функционирования гена, кодирующего белок перицентрин (см. Перицентрин, Плюрипотентные клетки, Микроцефалия). Генетический анализ показал, что число вновь приобретённых в процессе эволюции генов на один нейрон головного мозга человека больше, чем на один нейрон мозга шимпанзе. Кроме того, в мозгу взрослого человека содержится значительно больше копий мобильных генетических L1-элементов, чем в печени и сердце, что обусловлено адаптацией нервной системы к постоянно меняющемуся окружающему миру, а также обучением индивидуума в течение всей жизни. В 2006 г. было обнаружено, что в геноме человека присутствуют 212 копий гена MGC8902, который экспрессируется только в нейронах головного мозга и кодирует белок DUF1220 с неизвестными пока функциями. В то же время в геноме шимпанзе обнаружено всего 37 копий этого гена, а в геномах мыши и крысы – только по одной копии. Отсюда было сделано предположение, что ген MGC8902 может участвовать в эволюционных изменениях мозга у человека. Предполагают также, что за формирование более сложной нейронной сети и, соответственно, более сложной структуры человеческого мозга ответственна так называемая расширенная транскрипция генома человека (см. А-И редактирование, Синдром Секкеля). В клетках мозга экспрессируется свыше 12 (?) тысяч генов; при этом, несмотря на уникальность каждого человека, распределение транскрипционной активности генов в одинаковых структурах мозга у разных людей имеет выраженное сходство. Оказалось также, что характер активности генов в правом и левом полушариях показывает почти полную зеркальность (см. также Клетка). Поскольку в головном мозгу человека обнаружены половые особенности функциональной активности и строения его различных областей, долгое время считалось, что мозг может быть относительно мужским или женским. Показано, что мужской мозг за счёт предпочтительного развития ассоциативных зон содержит больше нейронов*****, чем женский, но у женщин нейроны формируют больше синапсов. Эти различия, скорее всего, возникли эволюционно, поскольку биологическое предназначение женских особей заключается в сохранении наследия, а мужских – в завоевании среды и поиске различных новшеств (это так называемая пилотная функция мозга******) (см. Асимметрия мозга, “Зоны молчания”). Однако в настоящее время, благодаря исследователям из Тель-Авивского университета*******, учёные склонны считать, что мозг человека скорее “мозаичен” и очень вариабелен, и в нём могут присутствовать те или иные черты, вне зависимости от пола. Другими словами, черты, для которых найдены половые различия, могут перекрываться у мужчин и женщин. Оказалось, что от 23 до 53 % исследованных мозгов (в зависимости от того, какой набор данных анализировали) содержали выраженные черты обоих полов. Обнаружены также определённые отличия в величине и структурах головного мозга у представителей различных рас. В целом размер мозга больше у европеоидов. Отличается и характер функционирования различных областей мозга. В ближайшее время мы, скорее всего, поймём механизмы функционирования мозга, но вряд ли сможем понять, как он произошёл. Принципиально человеческий организм устроен очень просто – это искривлённая по морфологии трубка, у которой есть входное и выходное отверстия. И странно, что вся история эволюции была направлена только на то, чтобы приделать к переднему концу трубки головной мозг.
Мозг также можно рассматривать как нейроэндокринный орган, вырабатывающий огромное число различных регуляторных факторов, главным образом, пептидной природы. Эта функция мозга выражена уже на ранних этапах развития эмбриона, а сигналы выделяются в кровь и узнаются различными органами на периферии, например, развивающимися гонадами. Наконец, последнее замечание – гематоэнцефалический барьер, защищающий мозг от внутренней среды организма, формируется только на 2-ой неделе после рождения ребёнка, а основная масса информации поступает в мозг через глаза (человек – преимущественно “существо зрительное”), но самый короткий вход в мозг лежит через нос. Если говорить о предпочтениях головного мозга, то ему очень нравятся кофеин и никотин, и не нравится алкоголь! (см. Геминейрин). Кроме того, головной мозг поощряет лень и создаёт для себя зону комфорта, что спасает его от перегрузок и повышенных энергетических затрат.
Следует отметить, что архитектура головного мозга имеет сходное строение у всех обладающих им организмов – от акулы до человека; везде мы находим одни и те же его части – передний, средний и ромбовидный мозг. Мало того, его “строят” те же гены, которые уже есть у ланцетника, существующего уже 500 млн. лет, у которого “мозг” представляет собой в буквальном смысле микроскопический нарост. Самый большой головной мозг из наземных животных у слонов, а из морских – у 50-ти тонных самцов кашалотов (у последних он вообще самый большой). При этом около 70 % массы головного мозга приходится на воду (у человека 76 %). В последнее время по нейробиологии и головному мозгу человека публикуется огромное число работ, охватить которые не могут даже узкие специалисты. И, несмотря, на валовое увеличение открытий в этой области знания, концептуальных прорывов, увы, пока нет, поскольку мы не понимаем главное, а что такое сознание и память, как рождаются мысли и идеи, и что такое душа, которая мучается, страдает и болит. И почему мы такие разные при почти одинаковом геноме? Синоним – большой мозг (лат. cerebrum).
В рамках европейского проекта “Human Brain Project” на основе мозга неврологически и психически здоровой при жизни 65-летней женщины международной группой нейробиологов создан точнейший трёхмерный атлас головного мозга человека, названный Big Brain. Этот атлас, построенный на микроскопической визуализации и сложном анализе с помощью суперкомпьютеров 7400 тончайших (тоньше волоса) срезов мозга, показывает пространственную организацию нейронов головного мозга с точностью до 20 мкм. В то же время американские учёные из Института мозга Пола Алена в Сиэтле (Paul Allen Institute for Brain Science) также создали атлас, но только с меньшим разрешением, который содержит и карты экспрессии генов с подробными аннотациями.
*В 2007 г. были опубликованы результаты картирования генов мыши, работающих в её головном мозгу; оказалось, что они составляют более 80 % всех генов животного. Мозг человека в тысячи раз сложнее, чем мышиный, но базовые элементы одни и те же. Считается, что примерно 600 генов тем или иным образом влияют на проявление интеллекта у человека, и все они преимущественно работают в эмбриональный период развития, формируя механизмы межнейронального взаимодействия и механизмы регуляции обменных процессов в нейронах. В то же время влияние внешней среды на развитие интеллекта имеет безусловное преобладание над генетическими факторами.
**Аврам Ноам Хомский (Chomsky, р. 1928) – американский лингвист, философ, профессор МТИ (Калифорния).
Интереснейший вопрос, когда в процессе эволюции у человека появились языковые способности, позволяющие создавать на основе ограниченного набора средств (базового набора инструкций, или так называемой генеративной грамматики) “дискретную бесконечность” речевых предложений (по Ноаму Хомскому)? Скорее всего язык возник тогда, когда сформировался мозг той гисто-анатомической структуры, которая характерна именно для людей. Остаётся только датировать появление головного мозга с такой структурой.
***На каждом из которых оканчивается до 30 тысяч синапсов. Следует отметить, что число клеток глии, в окружении которых лежат нейроны, минимум в 10 раз больше. Отсюда глию в настоящее время образно называют “тёмной материей мозга”. Хорошо известно, что у Эйнштейна клеток глии было значительно больше, чем у обычного человека, при среднем числе нейронов. Каждый из нейронов коры головного мозга формирует от 100 тысяч до 1 млн. связей с другими нейронами, из которых каждые сутки разрушается и воссоздаётся вновь несколько новых синапсов при непосредственном участии клеток глии. Кроме того, глия формирует гематоэнцефалический барьер – своеобразный чехол из клеток глии, изолирующий нейроны от кровеносных сосудов (см. Глия). Гематоэнцефалический барьер отсутствует только в гипоталамусе, в так называемой области нейроциркуляции.
****Мозг дельфина на 300 г. больше, чем у человека (из млекопитающих самый большой головной мозг у кашалота). В то же время самый большой человеческий мозг был зарегистрирован у клинического идиота! (Мозг выдающегося немецкого математика и физика К. Ф. Гаусса (1777–1855) весил 2,4 кг, а мозг И. С. Тургенева (1818–1883) – 2, 012 кг.) И всё же следует отметить, что интеллектуальная продуктивность человеческого мозга напрямую не зависит от его массы. Например, мозг французского писателя и интеллектуала Анатоля Франса (Франсуа Тибо, 1844–1924) имел объём всего 1017 см3, т. е. был на треть меньше, чем у среднего человека. Небольшим был мозг и французского математика Эвариста Галуа (1811–1832). Показано, что значительное влияние на уровень интеллекта оказывают андрогены (ретроспективный анализ показал, что талантливые люди, как правило, сексуально очень активны) (см. следующую сноску). От количества нейронов, содержащихся в головном мозгу, в значительной степени зависит устойчивость и надёжность организма, поскольку при старении их количество значительно уменьшается.
Как показывают сравнительные исследования, размеры мозга современных людей постоянно уменьшаются (происходит миниатюризация органа управления, подобно той, которая наблюдается в электротехнике?). Уже известно, что за последние 200 тысяч лет размеры головного мозга человека уменьшились на 10 %. Есть только одно предположение, объясняющее этот феномен, и лежит оно в рамках гипотезы “самоодомашнивания человека” (подобную картину мы наблюдаем у домашних животных); в то же время масса тела у современного человека растёт (тело больше – мозг меньше!). Следует также добавить, что масса головного мозга у неандертальца была в среднем на 20 % больше, чем у человека.
*****В процессе дифференцировки мозга высокий уровень тестикулярных гормонов (андрогенов) обеспечивает нейропротекторную функцию. Считается, что у выдающихся женщин эта функция выполнялась в виде отклонения от нормы, что отражено в известном афоризме: “закончились гормоны и кончились стихи”. Следует также отметить, что на женский мозг ложатся дополнительные очень сложные функции – беременность, деторождение и выхаживание потомства.
******От англ. pilot – пробный, экспериментальный.
*******Провели анализ МРТ-изображений более 1,4 тысячи мозгов мужчин и женщин.
“Мозговой Рубикон”. Понятие, отражающее важность объёма головного мозга, с которым связано становление человека. Минимальный объём мозга человека оценивается в 700–800 см3. Средний объём мозга современного человека составляет 1500 см3 (масса 1380 г).