Мозг не чувствует боли
Когда развивается зародыш млекопитающего, каждую минуту у него образуется огромное количество клеток мозга. У человеческого эмбриона это число примерно равно 250 000, поэтому к моменту рождения ребенка его мозг состоит уже из ста миллиардов клеток. Большая часть человеческого мозга занимается передачей и обработкой сенсорной информации. Каждая сенсорная функция находится в определенном участке мозга, и это расположение представляет собой увлекательную карту чувств. Но как ученым удалось понять, где именно в мозге обрабатываются сигналы от пальцев, губ и других частей тела? Один исследователь нашел оригинальный выход из положения. Доктор Уайлдер Пенфилд был нейрохирургом. Он знал то, о чем позже говорил Ганнибал Лектер в известном фильме: мозг не чувствует боли. И Пенфилд использовал это знание в своих исследованиях. Перед тем как приступить к операции, когда череп пациента уже был вскрыт, а сенсорные и моторные области мозга были видны и доступны для прикосновений, Пенфилд последовательно их массировал. Пациент в тот момент бодрствовал, и Пенфилд мог спросить его, что происходит после стимуляции. После массажа определенной части сенсорной области пациент говорил: «Я ощущаю покалывание в пальцах». Больше тысячи человек прошли через руки Пенфилда за время его карьеры.
Странные существа по имени гомункулы
Оценив размеры нервной ткани, выделенной для восприятия в одних случаях и для контроля двигательной активности — в других, Пенфилд пригласил художницу, миссис Х. П. Кэнтли, которая начала рисовать очень странных на вид существ, называемых гомункулами. У гомункула огромные руки, сильно увеличенные в размерах губы и язык и просто гигантский пенис. При этом у него крайне короткие ноги и истощенное на вид туловище. Это несуразное существо демонстрирует, что большая часть сенсорной области в человеческом мозге отводится пальцам, губам и гениталиям. (Гениталии гомункула-женщины были бы примерно такими же крупными, как и ее ступни.) С конца 40-х годов XX века было описано столько гомункулов млекопитающих, что они могли бы заполнить небольшой зоопарк: утконос, кролик, землеройка, мышь, летучая мышь, кошка, собака и обезьяна. Крысункул, утконосункул и обезьяноункул — это всего лишь несколько странных названий еще более странных рисунков.
Крот-звездонос: рекордсмен по скорости поедания
Быть может, самые отвратительные среди всех суперчувствительных «-ункулов» — те млекопитающие, которые живут в земле и используют сенсорный аппарат своих рыл для интерпретации мира. Крот-звездонос и сам по себе выглядит эксцентрично. Его мордочка украшена двадцатью двумя кожными наростами (по одиннадцать с каждой стороны), напоминающими звезду. Когда крот движется по норе, лучики непрерывно вытягиваются и касаются всех объектов, с которыми он сталкивается. Предполагается, что лучи могут сделать больше дюжины касаний в секунду. На каждом лучике есть более сотни мелких нервных окончаний — структур, называемых органом Эймера. Из всех хищников на планете крот-звездонос — самый злобный, ненасытный и стремительный едок (в процентном соотношении размера и веса). Он всеяден и пожирает все на своем пути. Это маленькое существо с лучиками может ощупать, идентифицировать и заглотить добычу всего за 120 миллисекунд. Если бы этот крот действовал хотя бы на полсекунды медленнее, он не смог бы поглощать достаточное количество пищи, необходимое для его быстрого метаболизма.
Голый землекоп: королева и ее подданные
Голый землекоп внешне похож на маленькую крысу, но не является ни крысой, ни кротом. Он теснее связан с дикобразами, шиншиллами и морскими свинками. Тело землекопа покрыто жесткими торчащими тактильными ворсинками. Голые землекопы — животные социальные. В каждой колонии есть матка-королева и пара самцов-производителей. Остальные — рабочие особи. Матка производит потомство каждые два месяца, и подданные, вытягиваясь в струнку у стенок туннеля, всегда пропускают королеву, когда та патрулирует свои владения. Почти треть соматосенсорного аппарата голого землекопа сосредоточена на его зубах. Самое же интересное — его мозг. Кора головного мозга у этого вида полностью трансформировалась: почти вся область, обычно предназначенная для зрения, была преобразована в тактильную способность зубов. Это прекрасный пример пластичности мозга млекопитающих.
Баррелы, баррелетты и баррелоиды
У мышей, как и у других грызунов, есть усы — длинный сенсорный аппарат. Информация от усов передается в неокортекс мыши и обрабатывается в так называемых баррелах соматосенсорной коры. Ученые выяснили, что расположение участков нервной ткани и в заднем мозге, и в таламусе подобно расположению баррелов. Эти участки названы аналогично: в заднем мозге — баррелетты, а в таламусе — баррелоиды. То, как развиваются баррелы, влияет на развитие баррелеттов и баррелоидов. Это означает, что на уровне развития возникает иерархия сигналов, которые тонко настраивают высшую нейронную структуру мозга. Изменение генов в иерархии может оказать огромное влияние на сенсорные способности млекопитающих.
Почему мы не видим собственный нос
Мы не видим собственный нос. Двумя открытыми глазами можно узреть лишь часть своего носа, да и то смутно. А если закрыть один глаз, картинка становится немного получше. У нашего зрения есть слепые пятна. Чтобы убедиться в этом, можно проделать простой эксперимент с точкой и буквой Х на странице — на определенном расстоянии буква исчезает из поля зрения. У других позвоночных тоже есть подобные слепые пятна, но наше крошечное пятнышко не идет ни в какое сравнение со слепой зоной, находящейся у нас за головой. Поле зрения человека составляет всего 180 градусов, и лишь примерно половину мы видим бинокулярным (стереоскопическим) зрением. Почему у приматов объемное зрение? Вспомним, где жили их предки — на деревьях. Попробуйте закрыть один глаз и залезть на лестницу. Вам будет сложно решить, куда лучше поместить руку. Стереоскопическое зрение дает нам глубинное восприятие пространства и облегчает интерпретацию физических структур. А вот у осьминога феноменальный охват поля зрения в 360 градусов и при этом нет слепых пятен. Почему? Глаза позвоночных и осьминогов развивались по-разному. У позвоночных нервный пучок, соединяющий сетчатку с мозгом, проходит перед сетчаткой и закрывает часть поля зрения. У осьминогов нервы присоединяются с задней стороны сетчатки и не заслоняют свет. У млекопитающих не было ни единого шанса избавиться от слепых пятен — все из-за того, как формировались их глаза.
Эволюционные причуды: антревольты, компромиссы и ограничения
История со слепым пятном осьминога напоминает нам о трех важных аспектах эволюции. Первый касается того, что Ричард Левонтин и Стивен Джей назвали антревольтом, вдохновившись собором Святого Марка в Венеции. Антревольты — это несущие конструкции, поддерживающие огромные купола собора. Фрески на них — лишь красивое дополнение. Так и отсутствие слепого пятна у осьминога — побочный эффект «архитектурной» структуры нервных соединений глаза. Второй аспект: иногда решение одной проблемы — это компромисс для решения другой. У насекомых сложные (фасеточные) глаза, состоящие из сотен крошечных омматидиев. Чем больше омматидиев, тем больше линз и тем меньше их размер. Фасеточные глаза очень хорошо улавливают движение — до двухсот кадров в секунду (против тридцати у человека), но при этом острота зрения снижается. У каждого вида выработалось определенное количество омматидиев в зависимости от того, что нужнее — острота зрения или способность распознавать движение. Третья причуда: путь развития организма ограничивает то, как в итоге формируются морфологии. Расположение глаз на нашем лице обусловлено тем, как развивались глаза у позвоночных. Генетический код управления развитием глаза ответственен за ограничение места расположения глаз.
Как делать циклопов
Сигнальная молекула Sonic Hedgehog (Shh) создает градиент в эмбрионе позвоночных, который контролирует гены, определяющие тип клеток в развивающемся мозге и черепе. Если убрать часть Shh, экспрессия определенных белков снижается или прекращается. Когда весь градиент удален, поле, где располагается глаз, перемещается в самую нижнюю часть развивающегося мозга, и один глаз перекрывает другой, создавая существо, похожее на циклопа. Феномен циклопа действительно наблюдается в природе. Крупный рогатый скот и овцы, питающиеся чемерицей, поглощают алкалоиды, которые блокируют выработку белка в сигнальном пути Hedgehog. Циклопы, появляющиеся среди этих животных, поразительны и помогают нам воочию убедиться в том, как могло бы развиваться расположение глаз у позвоночных. Человеческое развитие остановилось на конкретном поле зрения, тесно связанном с эволюцией нервной системы и глаз. Приходится признать: наше поле зрения по сравнению с другими животными, прямо скажем, так себе. Но по крайней мере мы знаем почему. И это знание — результат долгого пути, на котором были и странные гомункулы, и кроты-звездоносы с их невероятной скоростью поедания, и голые землекопы, перепрофилировавшие свой мозг под зубы, и даже циклопы, рождающиеся из-за горного растения. Все эти причуды эволюции — ключ к пониманию того, как наш мозг рисует карту тела и почему мы видим мир именно так, а не иначе.