Уникальные умственные способности человека обычно объясняют значительным увеличением коры головного мозга, которая описывается как «венчающее достижение эволюции и биологический субстрат человеческого умственного мастерства». Однако мозжечок человека содержит в четыре раза больше нейронов, чем неокортекс и своим широким спектром функций привлекает всё большее внимание учёных.
Эволюционная структурная стабильность
Ещё полвека назад о функциях мозжечка было практически ничего неизвестно. Считалось, что эта структура головного мозга участвует исключительно в планировании и выполнении движений, но совсем недавно учёные обнаружили в мозжечке сохранение высокой активности во время разнообразных форм деятельности, абсолютно не связанных с движением. И вновь cerebellum стал «структурой за семью печатями».
Морфология мозжечка очень интересна. Своими размерами он уступает только коре больших полушарий, причём за счёт выраженных борозд и извилин в нём располагается огромное число нервных клеток, которое превосходит количество нейронов во всех отделах головного мозга человека вместе взятых. Несмотря на то, что за миллион лет эволюции объём мозжечка увеличился по меньшей мере в три раза, за период более чем в 400 миллионов лет развития позвоночных животных организация нейронных соединений в нём не претерпела никаких изменений. В мозжечке рыбы, лягушки, слона и человека нейронные связи организованы практически идентично.
Гипотеза учёных о преимущественно двигательных функциях мозжечка появилась ещё в XIX веке – его удаление приводило к их выраженным нарушениям. Затем были получены и клинические подтверждения. Во время Первой мировой войны английский невропатолог Гордон Холмс подробно задокументировал расстройства координации движений у солдат с огнестрельными ранениями мозжечка. Однако в конце XX века с появлением более точных и совершенных методик исследования была получена новая, интригующая информация.
В 1989 году учёные из Орегонского университета установили, что пациенты с повреждением мозжечка теряли способность точно оценивать продолжительность звуков и пауз между ними. В начале 1990-х гг. было выявлено, что эти люди чаще совершают ошибки при выполнении вербальных заданий. Например, при демонстрации ножа пациенту требуется гораздо больше времени, чтобы вспомнить соответствующий функции предмета глагол «резать». Продолжив наблюдения, исследователи обнаружили у пациентов с повреждением мозжечка трудности в различении высоты пары предъявляемых звуков и совершение ошибок в заданиях на оценку скорости и направления движения объектов.
Эмоции и когнитивные процессы
Дальше – больше. Оказалось, что повреждения мозжечка приводят не только к сбоям в переработке зрительной и слуховой информации, но и изменяют эмоциональную сферу: у людей отмечается вялая или, напротив, более бурная реакция на раздражители. В результате повреждения мозжечка наблюдается ряд эмоциональных особенностей: упрямство, ригидность мышления, отсутствие критики и неадекватное поведение (например, непристойный юмор) у пациентов с правосторонними поражениями, и снижение эмоционального фона, социальная изоляция и низкая мотивация у людей с левосторонними повреждениями мозжечка. На МРТ у гиперактивных детей с дефицитом внимания были установлены меньшие размеры этого органа по сравнению со здоровыми сверстниками.
Исследования показали участие мозжечка в процессах памяти, внимания и управления побуждениями. При атрофии мозжечка пациенты испытывают затруднения в планировании собственных действий, например, при выполнении теста «ханойская башня», в котором необходимо нанизывать кольца разного размера на стержень в соответствии с определёнными правилами.
Сенсорный вход
У здоровых добровольцев с помощью МРТ обнаружили активацию мозжечка при воспоминании букв, прочитанных несколькими минутами ранее и в процессе подбора эквивалента тому или иному зрительному образу. Высокую активность мозжечка фиксировали на томограммах мозга у животных и людей во время восприятия звуков и запахов, при голоде и жажде, боли и удушье.
Джеймс Бауэр и Лоренс Парсонс сравнили активность мозжечка в двух экспериментах. В первом случае испытуемые должны были различить на ощупь небольшие предметы различной формы, а в другом – просто брать их в руки и некоторое время удерживать. Исходя из сложившихся традиционных представлений о моторных функциях мозжечка, движения пальцев должны были привести к активации моторной области мозжечка. Тем не менее во втором эксперименте её активность была крайне низкой. В то время как в первом опыте, который был связан с ощупыванием предметов, исследователи обнаружили выраженную активацию мозжечка. При этом высокая активность мозжечка не зависела от того, подвижны были руки испытуемых или нет.
Результаты данного эксперимента подтвердили предположение, что функции мозжечка больше связаны с координацией сенсорного входа, нежели моторного выхода. Иными словами, эта структура больше ответственна за сбор и обработку данных, чем за осуществление движений.
Творчество
Команда учёных из Стэнфордского университета провели интересный эксперимент для доказательства вклада мозжечка в творческий процесс. Группу здоровых мужчин и женщин попросили объяснить друг другу какое-то слово посредством рисунка. Процесс рисования занимал 30 секунд (по мнению исследователей этого времени как раз минимально и достаточно для рождения креатива и того, чтобы не дать участникам заскучать) и фиксировался с помощью ФМРТ. Оказалось, что высокий уровень творчества соответствовал повышенной активности мозжечка на ФМРТ. Чем больше она была в этой структуре, тем оригинальнее, креативнее и проработаннее были рисунки. При этом наблюдалось снижение активности в левой префронтальной коре, которая, как известно, выполняет функцию когнитивного контроля. Авторы предполагают, что кора, передавая задачу мозжечку, самоустраняется из творческого процесса, вновь включаясь в процесс анализа очередной порции входящих данных.
Нерешённые загадки
С мозжечком связано ещё много загадок, но две из них не дают покоя нейробиологам. Первая заключается в том, как структура головного мозга, в которой организация нейронных связей, отличаясь стойким единообразием (неизменным за сотни миллионов лет эволюции), ответственна за такое большое количество функций и обеспечивает столь различные аспекты поведения. Другой, не менее интригующей загадкой, является способность человека к восстановлению после повреждения мозжечка. Несмотря на то, что при удалении мозжечка вначале наблюдается нарушение координации движений, в дальнейшем, и особенно у молодых лиц, происходит возобновление утраченных двигательных реакций. Если подобным повреждениям подвергаются сенсомоторные области коры больших полушарий, это, как правило, приводит к выраженному и необратимому угнетению соответствующих функций.
По этому поводу среди нейробиологов даже возникла шутка: главное предназначение мозжечка – это компенсировать собственное отсутствие. Однако было бы странно, если настолько крупная, сложная и эволюционно-стабильная структура головного мозга не имела бы своей собственной функции, представляя собой рудиментарный орган. С точностью до наоборот, функции мозжечка настолько важны, что возникла необходимость их дублирования другими отделами мозга для выживания организма. Бауэр и Парсонс полагают, что мозжечок не связан с какими-либо определёнными психологическими процессами и формами поведения и функционирует в качестве некой поддерживающей структуры, обеспечивая нормальную работу остального мозга. При повреждении мозжечка его функции компенсируют иные структуры мозга, но уже используя при этом альтернативные способы переработки информации.
В экспериментах также было установлено, что функционирование повреждённого мозжечка имеет более серьёзные последствия для моторики человека, чем его полное удаление. И это логично. Если контроль за потоком сенсорной информации полностью отсутствует, его берут на себя иные структуры мозга. Но в случае непрерывного дефектного предоставления информации, такое чревато неправильным функционированием уже других перерабатывающих информацию систем, которые оперируют некачественными данными. Этим можно объяснить в частности аутизм, когда индивидуум вообще не реагирует на поступающую в мозг информацию.
Возможно, мозжечок сыграл одну из главных ролей, сделав человека человеком, обеспечив развитие интеллекта у приматов, в неменьшей степени, чем кора головного мозга. Роберт Бертон из Даремского университета и Крис Вендитти из Университета Ридинг в Великобритании полагают, что кора мозга эволюционировала в тесной связи с изменениями мозжечка. Они проанализировали отличия мозжечка и других структур мозга у человека и прочих приматов и соотнесли полученные результаты с этапами их эволюции. Оказалось, что у человекообразных обезьян мозжечок рос гораздо быстрее, чем можно было предположить. Если бы он развивался так же, как и другие части мозга, то у человека в мозге было бы на 16 млрд нейронов меньше, чем есть на самом деле, а их около 100 млрд.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Феномены мозга и нейронных сетей»:
