Нейронаука в неврології
План
Внесок клінічної неврології у вивчення мозку
Розвиток будови кори в ембріоні
Внесок фундаментальної нейронауки в неврологію
Ступінь прогресу
Ритмічність
Висновок
Внесок клінічної неврології у вивчення мозку
Розвиток будови кори в ембріоні
Внесок фундаментальної нейронауки в неврологію
Ступінь прогресу
Ритмічність
Висновок
Внесок клінічної неврології у вивчення мозку
Протягом багатьох років неврологія була не тільки невіддільна від нейробіології, але й надавала собою єдиний метод для вивчення вищих функцій мозку. Успіхом ранньої неврології було використання природних подій, таких як травми нервової.
системи, для опису функцій різних областей мозку шляхом кореляції клінічних симптомів з локалізацією пошкодження. Ці досягнення тим більше разючі, якщо врахувати, що використання ушкоджень для визначення функції має багато «підводних каменів». При наявності в даний час більш сучасних методів, таких як магнітно-резонансний або емісійно-позитронний томограф, неврологи в стані локалізувати і спостерігати за ушкодженнями безпосередньо, стежити за ходом загоєння і робити висновки про вищі функціях кори. Є всі підстави вважати, що істотне підвищення просторового і тимчасового дозволу не за горами. Це могло б дозволити спостерігати в реальному часі за послідовністю нейронних подій, що призводять до виникнення рішень, сприйняття або формування пам'яті.
Драматична історія Фінеаса Гейджа демонструє те, як ушкодження мозку може бути використано для аналізу його функцій. У 1848 році у віці 25 років Фінеаса Гейдж, працюючи бригадиром на залізниці у Вермонті, постраждав від масивного мозкового ушкодження. Коли він забивав залізний прут для того, щоб встановити пороховий заряд у кам'яній породі, порох вибухнув і загнала йому залізний прут прямо в череп. Гейдж втратив свідомість лише на короткий час і незабаром зміг піднятися і заговорити. Доктора вразило те, що хворий швидко одужав і був в змозі вести щодо нормальне життя в протягом більше 12 років. Особистість Гейджа, однак, зазнала великих змін. З спокійного, тверезого, працьовитого, акуратного робітника він перетворився на гучноголосий, балакучого, нетерплячого і неспокійного хвалька. Таким чином, у той час, коли ще нічого не було відомо про сенсорної, моторної, зорової та слухової корі, неврологічне обстеження показало, що вищі функції людського поведінки і характеристики особистості пов'язані з префронтальної областю кори великих півкуль. Але випадок Гейджа був досить унікальним у тому сенсі, що місце пошкодження фронтальної кори і його широту легко визначалися у живого пацієнта.
Інші приклади неврологічних спостережень дев'ятнадцятого століття, послужили визначення специфічних областей мозку,
залучених до вищих функції, належать Брока і Верніке. Ці вчені зіставляли мовні дефекти з областями кори, пошкодженими патологічними порушеннями, такими як інсульт або пухлини. Навіть тоді, коли точні області пошкодження невідомі, клініцисти і нейрофізіологи можуть достовірно вести діагностику на основі аналізу таких процесів, як довгострокова і короткочасна пам'ять.
Наслідки правильного і неправильного встановлення зв'язків вивчалися в зоровій системі новонароджених кошенят і мавп. Рецептивні поля нейронів сітківки, латерального колінчатого тіла і зорової кори вже до народження мали будову, аналогічне дорослим тваринам, крім шару 4 зорової кори. До моменту народження кортикальні клітини в шарі 4 управляються обома очима, і протягом перших 6 тижнів життя вони формують зв'язку подібні таким у дорослих, коли кожна клітина шару 4 відповідає тільки на сигнали від одного ока, у той час як клітини, що локалізуються в інших шарах , продовжують отримувати бінокулярну інформацію. Якщо протягом перших трьох місяців життя один з очей залишається закритим, це призводить до сліпоти на це око і втрати його здатності керувати кортикальним клітинами. Кортикальні колонки, які отримують сигнали від депривовані очі, зменшуються в розмірах, у той час як колонки, які отримують сигнали від протилежного, недепрівірованного, - збільшуються. Дуже незвичайними є ефекти одностороннього пошкодження парієтальної частки великих півкуль головного мозку справа. Пацієнти з такими ушкодженнями перестають усвідомлювати, що існують дві сторони тіла і дві сторони у зовнішньому світі. Ліва сторона тіла ніби перестає існувати, тому пацієнт не сприймає ліву руку як свою власну. Якщо подібних пацієнтів попросити намалювати ромашку, всі пелюстки будуть лише справа, так само як і всі спиці велосипедного колеса. Малюнок кішки, виконаний праворуким пацієнтом 1961 з парієтальним пошкодженням, зображений на рис. 1. Важливо підкреслити, що це справжні неврологічні дефекти, а не істеричні реакції пацієнта. Подібні клінічні спостереження показують, що наш внутрішній світ, який здається таким повним, таким єдиним і таким досконалим, складається з більш простих компонентів, з'єднаних разом в один континуум.
Крім результатів сканування мозку і постійно вдосконалюваних методик дослідження мови і характеру, подальший прогрес у вивченні вищих функцій може багато в чому визначатися когнітивними нейронауки і неврологією.
Розвиток будови кори в ембріоні
Ракича, Хортон і Хокінг показали, до якого рівня відбувається розвиток глазодоминантности колонок і «плям» цитохромоксидази до моменту народження. В очі мавп на різних стадіях розвитку в матці були введені радіоактивні амінокислоти так, щоб позначити клітини в області ЛКТ та їх аксони в межах шару 4 кори. Колонки та «плями» також виявляли за допомогою забарвлення на цитохромоксидазу. На ранніх стадіях розвитку зародка у відсутності будь-яких зорових сигналів майже всі зони управління правого і лівого ока перекривалися. За кілька днів до народження колонки очного домінування, «плями», товсті і тонкі смужки зорової зони 2 були помітні і мали нормальні пропорції по відношенню один до одного.
У кошенят колонки очного домінування в зоровій корі чітко розмежовуються лише до віку близько 30 днів. Тхори і сумчасті народжуються навіть на більш ранніх стадіях розвитку і, отже, велика ступінь формування зорових мереж у них відбувається в постнатальному періоді.
Внесок фундаментальної нейронауки в неврологію
Між фундаментальними і прикладними нейронауки явно є зв'язок з двостороннім рухом. Методи молекулярної біології і генетичні методи вже починають грати свою роль у діагностиці таких захворювань, як ретинобластома і хвороба Хантінгтона. Розглядається можливість лікування генетично реконструйованими клітинами м'язової дистрофії і хвороби Паркінсона. Нейрохірургами використовуються складні електрофізіологічні методи для реєстрації активності окремих нейронів, для імплантації стимулюючих електродів (наприклад, для контролю роботи сечового міхура), для методів неінвазивної стимуляції, а також розробки протезів для заміщення втрачених функцій.
Один із прикладів ілюструє, як дослідження у фундаментальній нейронауці може допомогти забезпечити новий підхід у лікуванні серйозних захворювань. Так, в результаті робіт Хьюбела і Візеля по втраті чутливості у новонароджених кошенят і мавп стало ясно, що новонародженої дитини з вродженою катарактою потрібно оперувати якомога раніше. Такі процедури запобігли незліченну кількість випадків сліпоти. Причому це не було результатом, початково запланованим дослідниками на початку експериментів на рецептивних полях зорового аналізатора.
Причини більшості захворювань нервової системи, від яких страждає людство (наприклад, хвороба Альцгеймера, або аміотрофічний латеральний склероз), практично невідомі. Відсутня і ефективне лікування. У цій ситуації можна було б запропонувати передати гроші, які використовуються для фундаментальної нейронауки, в прикладну науку або неврологію. Звичайно, було б краще знайти безпосередньо засіб лікування від захворювань, ніж намагатися з'ясувати, як функціонує нервова система. Однак у випадках, коли прикладні дослідження переважали над фундаментальними біологічними розробками, результати, м'яко кажучи, розчаровували. Наприклад, Радянський Союз заснував і підтримував великі інститути прикладних досліджень у фізіології та фармакології, кожен з яких налічував сотні наукових працівників, в яких вивчення проблеми заради її інтересу і краси вважалося "буржуазним". Однак у період існування Радянського Союзу не було розроблено жодного лікарського препарату, який увійшов би в рутинну клінічну практику. Ми пізнаємо фізичний світ завдяки нашим органам почуттів. Ми простягаємо руку, щоб торкнутися найближчих об'єктів, або сприймаємо сигнали, що передаються на відстані. Сенсорні рецептори - це ворота, через які проходять ці сигнали. Вже у вихідній точці рецептори задають основу того сенсорного аналізу, який згодом здійснюється центральною нервовою системою. Вони визначають межі чутливості і встановлюють діапазон сигналів, які можуть бути виявлені і на які буде реакція. За рідкісним винятком, кожен тип рецептора спеціалізований, щоб вибірково реагувати лише на енергію одного типу подразника, званого адекватним стимулом. Палички і колбочки сітківки ока реагують на світло, нервові закінчення шкіри - на дотик, тиск або вібрацію, рецептори мови - на хімічні смакові подразники.
Ступінь прогресу
Хоча книги про мозок і свідомості з'являються з неймовірною швидкістю, було б, безсумнівно, поганою послугою для нейронауки робити вигляд, що відповіді на надзвичайно складні питання цієї галузі людського знання знаходяться зовсім поруч. Наприклад, було необачно в 1996 році, розглядаючи нейронні мережі, залучені в контроль гри в теніс, пророкувати в передовиці "Science", що "основні принципи нейронального розвитку будуть відкриті до кінця цього століття». Існує природна тенденція вчених і журналістів бути оптимістичними і обнадіювати, що рішення важких проблем близькі. Так, можливе час для лікування пошкоджень спинного мозку було позначено приблизно 7-10 років (більше семи років тому!). Хоча подібні висловлювання можуть заохочувати інтерес вчених до цієї області, вони ж можуть мати руйнівну дію на пацієнтів, якщо вони не виконуються за обіцяний час, як це, на жаль, часто відбувається.
Ритмічність
Нейрональні ритми включають дихальні і ціркадіанние ритми, так само як і періодичну нейронну активність у мозочку, гіпокампі, таламусі і спинному мозку. За винятком кількох прикладів, таких як функціонування стоматогастріческого ганглія омара і плавання п'явки, ми не володіємо достатньою інформацією про механізми походження або ритмічності залпової активності. Більш того, неясно, які функції виконують коливання струму в таких відомих явищах, як альфа-і дельта-хвилі в електроенцефалограмі.
Протягом багатьох років неврологія була не тільки невіддільна від нейробіології, але й надавала собою єдиний метод для вивчення вищих функцій мозку. Успіхом ранньої неврології було використання природних подій, таких як травми нервової.
системи, для опису функцій різних областей мозку шляхом кореляції клінічних симптомів з локалізацією пошкодження. Ці досягнення тим більше разючі, якщо врахувати, що використання ушкоджень для визначення функції має багато «підводних каменів». При наявності в даний час більш сучасних методів, таких як магнітно-резонансний або емісійно-позитронний томограф, неврологи в стані локалізувати і спостерігати за ушкодженнями безпосередньо, стежити за ходом загоєння і робити висновки про вищі функціях кори. Є всі підстави вважати, що істотне підвищення просторового і тимчасового дозволу не за горами. Це могло б дозволити спостерігати в реальному часі за послідовністю нейронних подій, що призводять до виникнення рішень, сприйняття або формування пам'яті.
Драматична історія Фінеаса Гейджа демонструє те, як ушкодження мозку може бути використано для аналізу його функцій. У 1848 році у віці 25 років Фінеаса Гейдж, працюючи бригадиром на залізниці у Вермонті, постраждав від масивного мозкового ушкодження. Коли він забивав залізний прут для того, щоб встановити пороховий заряд у кам'яній породі, порох вибухнув і загнала йому залізний прут прямо в череп. Гейдж втратив свідомість лише на короткий час і незабаром зміг піднятися і заговорити. Доктора вразило те, що хворий швидко одужав і був в змозі вести щодо нормальне життя в протягом більше 12 років. Особистість Гейджа, однак, зазнала великих змін. З спокійного, тверезого, працьовитого, акуратного робітника він перетворився на гучноголосий, балакучого, нетерплячого і неспокійного хвалька. Таким чином, у той час, коли ще нічого не було відомо про сенсорної, моторної, зорової та слухової корі, неврологічне обстеження показало, що вищі функції людського поведінки і характеристики особистості пов'язані з префронтальної областю кори великих півкуль. Але випадок Гейджа був досить унікальним у тому сенсі, що місце пошкодження фронтальної кори і його широту легко визначалися у живого пацієнта.
Інші приклади неврологічних спостережень дев'ятнадцятого століття, послужили визначення специфічних областей мозку,
| Рис. .1. Малюнок кішки, зроблений пацієнтом, що мають значне пошкодження правої парієтальної частки. Типовим для цієї поразки є синдром «ігнорування», коли не помічаються деталі, що знаходяться з лівого боку. |
Наслідки правильного і неправильного встановлення зв'язків вивчалися в зоровій системі новонароджених кошенят і мавп. Рецептивні поля нейронів сітківки, латерального колінчатого тіла і зорової кори вже до народження мали будову, аналогічне дорослим тваринам, крім шару 4 зорової кори. До моменту народження кортикальні клітини в шарі 4 управляються обома очима, і протягом перших 6 тижнів життя вони формують зв'язку подібні таким у дорослих, коли кожна клітина шару 4 відповідає тільки на сигнали від одного ока, у той час як клітини, що локалізуються в інших шарах , продовжують отримувати бінокулярну інформацію. Якщо протягом перших трьох місяців життя один з очей залишається закритим, це призводить до сліпоти на це око і втрати його здатності керувати кортикальним клітинами. Кортикальні колонки, які отримують сигнали від депривовані очі, зменшуються в розмірах, у той час як колонки, які отримують сигнали від протилежного, недепрівірованного, - збільшуються. Дуже незвичайними є ефекти одностороннього пошкодження парієтальної частки великих півкуль головного мозку справа. Пацієнти з такими ушкодженнями перестають усвідомлювати, що існують дві сторони тіла і дві сторони у зовнішньому світі. Ліва сторона тіла ніби перестає існувати, тому пацієнт не сприймає ліву руку як свою власну. Якщо подібних пацієнтів попросити намалювати ромашку, всі пелюстки будуть лише справа, так само як і всі спиці велосипедного колеса. Малюнок кішки, виконаний праворуким пацієнтом 1961 з парієтальним пошкодженням, зображений на рис. 1. Важливо підкреслити, що це справжні неврологічні дефекти, а не істеричні реакції пацієнта. Подібні клінічні спостереження показують, що наш внутрішній світ, який здається таким повним, таким єдиним і таким досконалим, складається з більш простих компонентів, з'єднаних разом в один континуум.
Крім результатів сканування мозку і постійно вдосконалюваних методик дослідження мови і характеру, подальший прогрес у вивченні вищих функцій може багато в чому визначатися когнітивними нейронауки і неврологією.
Розвиток будови кори в ембріоні
Ракича, Хортон і Хокінг показали, до якого рівня відбувається розвиток глазодоминантности колонок і «плям» цитохромоксидази до моменту народження. В очі мавп на різних стадіях розвитку в матці були введені радіоактивні амінокислоти так, щоб позначити клітини в області ЛКТ та їх аксони в межах шару 4 кори. Колонки та «плями» також виявляли за допомогою забарвлення на цитохромоксидазу. На ранніх стадіях розвитку зародка у відсутності будь-яких зорових сигналів майже всі зони управління правого і лівого ока перекривалися. За кілька днів до народження колонки очного домінування, «плями», товсті і тонкі смужки зорової зони 2 були помітні і мали нормальні пропорції по відношенню один до одного.
У кошенят колонки очного домінування в зоровій корі чітко розмежовуються лише до віку близько 30 днів. Тхори і сумчасті народжуються навіть на більш ранніх стадіях розвитку і, отже, велика ступінь формування зорових мереж у них відбувається в постнатальному періоді.
Внесок фундаментальної нейронауки в неврологію
Між фундаментальними і прикладними нейронауки явно є зв'язок з двостороннім рухом. Методи молекулярної біології і генетичні методи вже починають грати свою роль у діагностиці таких захворювань, як ретинобластома і хвороба Хантінгтона. Розглядається можливість лікування генетично реконструйованими клітинами м'язової дистрофії і хвороби Паркінсона. Нейрохірургами використовуються складні електрофізіологічні методи для реєстрації активності окремих нейронів, для імплантації стимулюючих електродів (наприклад, для контролю роботи сечового міхура), для методів неінвазивної стимуляції, а також розробки протезів для заміщення втрачених функцій.
Один із прикладів ілюструє, як дослідження у фундаментальній нейронауці може допомогти забезпечити новий підхід у лікуванні серйозних захворювань. Так, в результаті робіт Хьюбела і Візеля по втраті чутливості у новонароджених кошенят і мавп стало ясно, що новонародженої дитини з вродженою катарактою потрібно оперувати якомога раніше. Такі процедури запобігли незліченну кількість випадків сліпоти. Причому це не було результатом, початково запланованим дослідниками на початку експериментів на рецептивних полях зорового аналізатора.
Причини більшості захворювань нервової системи, від яких страждає людство (наприклад, хвороба Альцгеймера, або аміотрофічний латеральний склероз), практично невідомі. Відсутня і ефективне лікування. У цій ситуації можна було б запропонувати передати гроші, які використовуються для фундаментальної нейронауки, в прикладну науку або неврологію. Звичайно, було б краще знайти безпосередньо засіб лікування від захворювань, ніж намагатися з'ясувати, як функціонує нервова система. Однак у випадках, коли прикладні дослідження переважали над фундаментальними біологічними розробками, результати, м'яко кажучи, розчаровували. Наприклад, Радянський Союз заснував і підтримував великі інститути прикладних досліджень у фізіології та фармакології, кожен з яких налічував сотні наукових працівників, в яких вивчення проблеми заради її інтересу і краси вважалося "буржуазним". Однак у період існування Радянського Союзу не було розроблено жодного лікарського препарату, який увійшов би в рутинну клінічну практику. Ми пізнаємо фізичний світ завдяки нашим органам почуттів. Ми простягаємо руку, щоб торкнутися найближчих об'єктів, або сприймаємо сигнали, що передаються на відстані. Сенсорні рецептори - це ворота, через які проходять ці сигнали. Вже у вихідній точці рецептори задають основу того сенсорного аналізу, який згодом здійснюється центральною нервовою системою. Вони визначають межі чутливості і встановлюють діапазон сигналів, які можуть бути виявлені і на які буде реакція. За рідкісним винятком, кожен тип рецептора спеціалізований, щоб вибірково реагувати лише на енергію одного типу подразника, званого адекватним стимулом. Палички і колбочки сітківки ока реагують на світло, нервові закінчення шкіри - на дотик, тиск або вібрацію, рецептори мови - на хімічні смакові подразники.
Ступінь прогресу
Хоча книги про мозок і свідомості з'являються з неймовірною швидкістю, було б, безсумнівно, поганою послугою для нейронауки робити вигляд, що відповіді на надзвичайно складні питання цієї галузі людського знання знаходяться зовсім поруч. Наприклад, було необачно в 1996 році, розглядаючи нейронні мережі, залучені в контроль гри в теніс, пророкувати в передовиці "Science", що "основні принципи нейронального розвитку будуть відкриті до кінця цього століття». Існує природна тенденція вчених і журналістів бути оптимістичними і обнадіювати, що рішення важких проблем близькі. Так, можливе час для лікування пошкоджень спинного мозку було позначено приблизно 7-10 років (більше семи років тому!). Хоча подібні висловлювання можуть заохочувати інтерес вчених до цієї області, вони ж можуть мати руйнівну дію на пацієнтів, якщо вони не виконуються за обіцяний час, як це, на жаль, часто відбувається.
Ритмічність
Нейрональні ритми включають дихальні і ціркадіанние ритми, так само як і періодичну нейронну активність у мозочку, гіпокампі, таламусі і спинному мозку. За винятком кількох прикладів, таких як функціонування стоматогастріческого ганглія омара і плавання п'явки, ми не володіємо достатньою інформацією про механізми походження або ритмічності залпової активності. Більш того, неясно, які функції виконують коливання струму в таких відомих явищах, як альфа-і дельта-хвилі в електроенцефалограмі.
Висновок
Коли стикаєшся з фантастичною різноманітністю поведінки живих істот - від повзучого мурашки до студента, - стає ясно, що розуміння того, як функціонує нервова система, є захоплюючим, нескінченним заняттям першорядної важливості.
Історія нейронауки вчить, що нові підходи до лікування захворювань часто виникають несподівано з експериментів, присвячених часом зовсім інших питань. Більше того, загальне накопичення природничо-наукових знань також є об'єктивною необхідністю, без нього навіть логічні підходи до попередження та лікування неврологічних захворювань можуть дати лише частковий ефект. У цій ситуації майже неможливо визначити справжню значимість конкретного проекту в той час, коли він знаходиться тільки в процесі виконання. Тому на питання про «значимості» дослідницької роботи абсолютно чесним був би дуже проста відповідь: «Не знаю»
Незважаючи на успіхи в лікуванні хвороб, багато аспектів значення для людського суспільства знань про механізми функціонування нервової системи знаходяться сьогодні просто поза нашого сьогоднішнього уяви.
Коли стикаєшся з фантастичною різноманітністю поведінки живих істот - від повзучого мурашки до студента, - стає ясно, що розуміння того, як функціонує нервова система, є захоплюючим, нескінченним заняттям першорядної важливості.
Історія нейронауки вчить, що нові підходи до лікування захворювань часто виникають несподівано з експериментів, присвячених часом зовсім інших питань. Більше того, загальне накопичення природничо-наукових знань також є об'єктивною необхідністю, без нього навіть логічні підходи до попередження та лікування неврологічних захворювань можуть дати лише частковий ефект. У цій ситуації майже неможливо визначити справжню значимість конкретного проекту в той час, коли він знаходиться тільки в процесі виконання. Тому на питання про «значимості» дослідницької роботи абсолютно чесним був би дуже проста відповідь: «Не знаю»
Незважаючи на успіхи в лікуванні хвороб, багато аспектів значення для людського суспільства знань про механізми функціонування нервової системи знаходяться сьогодні просто поза нашого сьогоднішнього уяви.
Література
1. Hubel, DH, Wiesel, TN, and LeVay, S. 1977. Philos. Trans. R. Soc. Land. У 278: 377-409.
2. Horton, JC and Hocking, DR 1997. J. Neurosci. 17: 3684-3709.
3. Hubel, DH, and Wiesel, TN 1970. /. Physiol. 206: 419-436.
1. Hubel, DH, Wiesel, TN, and LeVay, S. 1977. Philos. Trans. R. Soc. Land. У 278: 377-409.
2. Horton, JC and Hocking, DR 1997. J. Neurosci. 17: 3684-3709.
3. Hubel, DH, and Wiesel, TN 1970. /. Physiol. 206: 419-436.