Brain

Brain — это центральный орган нервной системы у всех позвоночных животных и большинства беспозвоночных, расположенный в головном отделе тела и защищённый черепом (у позвоночных) или головной капсулой (у членистоногих). У человека и млекопитающих мозг является главным регулятором всех жизненных функций организма, включая восприятие, движение, мышление, память, эмоции и речь. Состоит из нервной ткани — нейронов и глиальных клеток, образующих сложные сети.

Анатомия и строение

Общий план

Мозг позвоночных имеет три основных отдела, развивающихся из переднего, среднего и заднего мозговых пузырей зародыша:

• Передний мозг (большие полушария, таламус, гипоталамус, базальные ганглии) — отвечает за высшие когнитивные функции, обработку сенсорной информации и регуляцию внутренней среды.
• Средний мозг (крыша среднего мозга, ножки мозга) — участвует в зрительных и слуховых рефлексах, управлении движениями глаз и ориентации в пространстве.
• Задний мозг (мозжечок, мост, продолговатый мозг) — координирует движения, поддерживает равновесие, регулирует дыхание, сердечный ритм и другие вегетативные функции.

Мозг человека

Мозг взрослого человека весит в среднем 1300–1400 граммов (у мужчин несколько больше, чем у женщин, но это не коррелирует с интеллектом). Он состоит из:

• Коры больших полушарий — наружного слоя серого вещества толщиной 2–5 мм, покрывающего полушария. У человека кора сильно складчата, что увеличивает её площадь до 2000–2500 см². В коре различают доли: лобную, теменную, височную, затылочную и островковую. Каждая доля отвечает за определённые функции (например, затылочная — за зрение, лобная — за планирование и контроль поведения).
• Белого вещества — пучков аксонов, соединяющих нейроны коры между собой и с подкорковыми структурами.
• Подкорковых структур (базальные ядра, таламус, гипоталамус, гиппокамп, миндалевидное тело) — участвуют в регуляции движений, эмоций, памяти и мотивации.
• Ствола мозга — продолговатый мозг, мост и средний мозг, обеспечивающие связь между спинным и головным мозгом, а также контроль жизненно важных функций.
• Мозжечка — расположенного под затылочными долями, отвечающего за координацию движений и равновесие.

Мозг других животных

• Птицы — имеют относительно крупный мозг по сравнению с телом, особенно развиты зрительные доли и мозжечок. У некоторых видов (вороновые, попугаи) обнаружены признаки сложного интеллекта.
• Млекопитающие — отличаются развитой корой, особенно у приматов и китообразных. У дельфинов мозг по массе и сложности сопоставим с человеческим, но имеет другую архитектуру.
• Рыбы и амфибии — мозг устроен проще, с преобладанием стволовых структур и обонятельных долей.
• Беспозвоночные — у головоногих моллюсков (осьминоги, кальмары) мозг высокоразвит, имеет дольчатую структуру и способен к обучению. У насекомых мозг состоит из нескольких ганглиев, но у общественных видов (пчёлы, муравьи) наблюдаются сложные формы поведения.

Физиология и функции

Нейроны и синапсы

Основной функциональной единицей мозга является нейрон — клетка, способная генерировать и передавать электрические сигналы (потенциалы действия). Нейроны соединяются друг с другом через синапсы — специализированные контакты, где сигнал передаётся с помощью нейромедиаторов (дофамин, серотонин, ацетилхолин, глутамат и др.). У человека в мозге насчитывается около 86 миллиардов нейронов и триллионы синапсов.

Обработка информации

Мозг обрабатывает информацию параллельно и распределённо. Сенсорные сигналы от органов чувств (зрение, слух, осязание, вкус, обоняние) поступают в соответствующие зоны коры, где анализируются. Моторная кора посылает команды к мышцам. Ассоциативные зоны коры (префронтальная кора, теменная кора) интегрируют информацию из разных модальностей, обеспечивая восприятие, мышление и принятие решений.

Память и обучение

Память — способность мозга сохранять и воспроизводить информацию. Различают кратковременную (рабочую) и долговременную память. Долговременная память подразделяется на декларативную (факты, события) и процедурную (навыки, привычки). Ключевую роль в формировании памяти играет гиппокамп, расположенный в височной доле. Обучение связано с изменением силы синаптических связей (синаптическая пластичность).

Эмоции и мотивация

Эмоции (страх, радость, гнев, печаль) регулируются лимбической системой, включающей миндалевидное тело, гиппокамп, поясную извилину и гипоталамус. Дофаминовая система (прилежащее ядро, вентральная область покрышки) участвует в формировании мотивации и подкрепления.

Исследования мозга

Нейронаука

Наука, изучающая мозг, называется нейронаукой. Она включает нейроанатомию, нейрофизиологию, нейрохимию, нейрогенетику, когнитивную нейронауку и нейропсихологию. Основные методы исследования:

• Электроэнцефалография (ЭЭГ) — регистрация электрической активности мозга с помощью электродов на скальпе.
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — визуализация структуры мозга с высоким разрешением.
• Функциональная МРТ (фМРТ) — измерение активности мозга по изменению кровотока.
• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — оценка метаболической активности.
• Микроскопия и гистология — изучение тканей мозга на клеточном уровне.

История изучения

• Древний мир — египтяне и греки (Гиппократ) считали мозг центром ощущений, хотя Аристотель отводил эту роль сердцу.
• Средние века и Ренессанс — анатомические исследования (Везалий) описали структуру мозга, но функциональное понимание оставалось ограниченным.
• XVIII–XIX века — Франц Галль (френология) ошибочно связывал черты характера с формой черепа. Пауль Брока и Карл Вернике открыли зоны речи в коре.
• XX век — развитие нейрофизиологии (Шеррингтон, Экклс), открытие синаптической передачи, создание теории нейронных сетей (Маккаллок, Питтс). Конец века — развитие нейровизуализации и молекулярной нейробиологии.
• XXI век — проекты по картированию мозга (Human Connectome Project, BRAIN Initiative), изучение нейропластичности, нейрогенеза, связи мозга и искусственного интеллекта.

Заболевания и расстройства

Неврологические заболевания

• Инсульт — нарушение мозгового кровообращения, приводящее к гибели нейронов. Может быть ишемическим (закупорка сосуда) или геморрагическим (разрыв сосуда).
• Болезнь Альцгеймера — нейродегенеративное заболевание, характеризующееся накоплением амилоидных бляшек и тау-белков, приводящее к прогрессирующей потере памяти и когнитивных функций.
• Болезнь Паркинсона — дегенерация дофаминовых нейронов в чёрной субстанции, вызывающая тремор, ригидность и нарушение движений.
• Рассеянный склероз — аутоиммунное заболевание, при котором повреждается миелиновая оболочка нервных волокон.
• Эпилепсия — хроническое заболевание, проявляющееся повторными судорожными припадками из-за аномальной электрической активности мозга.
• Опухоли мозга — доброкачественные и злокачественные новообразования (глиомы, менингиомы).

Психические расстройства

• Депрессия — расстройство настроения, связанное с нарушением нейромедиаторного баланса (серотонин, норадреналин).
• Шизофрения — тяжёлое психическое заболевание с бредом, галлюцинациями и нарушением мышления.
• Тревожные расстройства — панические атаки, фобии, генерализованное тревожное расстройство.
• Аутизм (расстройство аутистического спектра) — нарушение социального взаимодействия и коммуникации, связанное с особенностями развития мозга.

Эволюция мозга

Мозг эволюционировал от простых нервных сетей у кишечнополостных (медузы, гидры) до сложных структур у позвоночных. Ключевые этапы:

• Появление хорды — у ланцетника нервная трубка без головного мозга.
• Развитие головного мозга — у круглоротых (миноги) появляются зачатки переднего, среднего и заднего мозга.
• Увеличение коры — у млекопитающих кора становится доминирующей структурой. У приматов и человека кора достигает наибольшего развития, особенно лобные доли.
• Цефализация — тенденция к увеличению относительного размера мозга и концентрации нервных центров в головном отделе.

Интересные факты

• Мозг потребляет около 20% кислорода и глюкозы, поступающих в организм, хотя составляет лишь 2% от массы тела.
• Нейроны мозга не делятся (за исключением гиппокампа и обонятельной луковицы), поэтому их потеря при травмах или заболеваниях необратима.
• Мозг не имеет болевых рецепторов — операции на мозге могут проводиться под местной анестезией, пока пациент находится в сознании.
• Самая большая масса мозга среди животных — у кашалота (до 9 кг), но относительный размер (по отношению к массе тела) больше у человека и некоторых дельфинов.
• В мозге человека около 100 000 километров кровеносных сосудов.
• Учёные до сих пор не имеют полной модели работы сознания и субъективного опыта (квалиа).

Источники

• Гайтон А. К., Холл Дж. Э. Медицинская физиология. — М.: Логосфера, 2008.
• Карлсон Н. Р. Физиология поведения. — СПб.: Питер, 2013.
• Кузнецов С. Л., Мушкамбаров Н. Н. Гистология, цитология и эмбриология. — М.: Медицинское информационное агентство, 2013.
• Симонов П. В. Мотивированный мозг. — М.: Наука, 1987.
• Kandel E. R., Schwartz J. H., Jessell T. M. Principles of Neural Science. — McGraw-Hill, 2013.
• Bear M. F., Connors B. W., Paradiso M. A. Neuroscience: Exploring the Brain. — Wolters Kluwer, 2016.