Головной мозг. Головной мозг человека

Животных, обычно расположенный в головном (переднем) отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков-дендритов. У многих животных содержит также глиальные клетки, может быть окружен оболочкой из соединительной ткани. У позвоночных животных (в том числе и у человека) различают головной мозг , размещённый в полости черепа, и спинной , находящийся в позвоночном канале.

Мозг беспозвоночных животных

Мозг хорошо развит у подавляющего числа групп Bilateria - двустороннесимметричных животных. Даже у наиболее примитивных в гистологическом отношении бескишечных турбеллярий (сейчас относимых к отдельному типу Acoelomorpha) имеется достаточно сложный головной мозг с кортексом, нейропилем и комиссурами .

Отделы мозга млекопитающих

Разум и мозг

Кроме того имеют место высказывания о том, что разум компьютероподобен и алгоритмичен . Точки зрения «порождаемость разума мозгом» и «компьютероподобие разума» не обязательно сопутствуют друг другу .

Размер мозга у млекопитающих

Масса мозга (кг) как функция массы тела (М т, кг) для различных групп млекопитающих :

Мозг в культуре

Из-за ключевого значения мозга в организме тема мозга популярна. В древности съедание мозга побеждённого человека или животного наряду с другими частями тела символизировала получение сил противника. В средневековье мозг понимался как средоточие жизни, наряду с сердцем. В настоящее время тема мозга широко распространена в художественной литературе, видеоиграх и фильмах, в частности, фильмах про зомби .

История изучения мозга

Начало современной науке о мозге было положено в начале XX века двумя открытиями: анализом рефлекторных актов и обнаружением локализации функций в коре головного мозга. На основе этих открытий предположили, что простые приспособительные непроизвольные движения осуществляются благодаря рефлекторной дуге сегментарного уровня, проходящей через нижние отделы мозга , а сознательное восприятие и произвольные движения обеспечиваются рефлексами высшего порядка, чья сенсо-моторная дуга проходит через высшие отделы мозга .

Головной мозг - часть центральной нервной системы, главный регулятор всех жизненных функций организма. В результате его поражения возникают тяжелые заболевания. В головном мозге содержится 25 миллиардов нейронов, составляющих мозговое серое вещество. Головной мозг покрывают три оболочки - твердая, мягкая и находящаяся между ними паутинная, по каналам которой циркулирует спинномозговая жидкость (ликвор). Ликвор - своеобразный гидравлический амортизатор ударов. Мозг взрослого мужчины весит в среднем 1375 г, женщины - 1245 г. Однако это не означает, что у мужчин он лучше развит. Иногда вес мозга может достигать 1800 г.

Строение

Головной мозг состоит из 5 основных отделов: конечного, промежуточного, среднего, заднего и продолговатого мозга. Конечный мозг составляет 80% всей массы головного мозга. Он протянулся от лобной кости до затылочной. Конечный мозг состоит из двух полушарий, в которых много борозд и извилин. Он делится на несколько долей (лобную, теменную, височную и затылочную). Различают подкорку и кору больших полушарий. Подкорка состоит из подкорковых ядер, регулирующих различные функции организма. Головной мозг располагается в трех черепных ямках. Большие полушария занимают переднюю и среднюю ямки, а заднюю ямку - мозжечок, под которым расположен продолговатый мозг.

Функции

Функции различных отделов головного мозга различны.

Конечный мозг

В серой коре имеется около 10 миллиардов нейронов. Они составляют только 3-миллиметровый слой, однако их нервные волокна разветвлены подобно сети. Каждый нейрон может иметь до 10 000 контактов с другими нейронами. Часть нервных волокон через мозолистое тело большого головного мозга соединяет правое и левое полушария. Нейроны составляют серое вещество, а волокна - белое вещество. Внутри больших полушарий, между лобными долями и промежуточным мозгом, располагаются скопления серого вещества. Это базальные ганглии. Ганглии являются скоплениями нейронов, передающих информацию.

Промежуточный мозг

Промежуточный мозг делится на вентральную (гипоталамус) и дорсальную (таламус, метаталамус, эпиталамус) части. Таламус является посредником, в котором сходятся все раздражения, полученные от внешнего мира и направляются к большим полушариям мозга таким образом, чтобы организм смог адекватно приспособиться к постоянно меняющейся среде. Гипоталамус является главным подкорковым центром регуляции вегетативных функций организма.

Средний мозг

Простирается от переднего края моста до зрительных трактов и сосочковых тел. Состоит из ножек большого мозга и четверохолмия. Через средний мозг проходят все восходящие пути к коре больших полушарий и мозжечку и нисходящие, несущие импульсы к продолговатому и спинному мозгу. Он важен для обработки нервных импульсов, поступающих от зрительных и слуховых рецепторов.

Мозжечок и мост

Мозжечок расположен в затылочной части позади продолговатого мозга и моста. Он состоит из двух полушарий и червя между ними. Поверхность мозжечка испещрена бороздами. Мозжечок участвует в координации сложных двигательных актов.

Желудочки головного мозга

Боковые желудочки расположены в полушариях переднего мозга. Третий желудочек расположен между зрительными буграми и соединен с четвертым желудочком, который сообщается с субарахноидальным пространством. Ликвор, находящийся в желудочках, циркулирует и в паутинной мозговой оболочке.

Функции большого (конечного) мозга

Благодаря работе головного мозга, человек может мыслить, чувствовать, слышать, видеть, осязать, двигаться. Большой (конечный) мозг управляет всеми жизненно важными процессами, происходящими в организме человека, а также является «вместилищем» всех наших интеллектуальных способностей. Из мира животных человека, прежде всего, выделяет развитая речь и способность к абстрактному мышлению, т.е. способность мыслить нравственными или логическими категориями. Только в человеческом сознании могут возникнуть различные идеи, например, политические, философские, теологические, художественные, технические, творческие.

Кроме того, головной мозг регулирует и координирует работу всех мышц человека (и тех, которыми человек может управлять усилиями воли, и тех, которые не зависят от воли человека, например, сердечная мышца). Мышцы получают из центральной нервной системы серию импульсов, на что мышцы отвечают сокращением определенной силы и длительности. Импульсы поступают в мозг из различных органов чувств, вызывая необходимые реакции, например, поворот головы в ту сторону, откуда слышится шум.

Левое мозговое полушарие управляет правой половиной тела, а правое - левой. Два полушария дополняют друг друга.

Головной мозг напоминает грецкий орех, в нем выделяют три больших отдела - ствол, подкорковый отдел и кору больших полушарий. Общая поверхность коры увеличивается за счет многочисленных борозд, которые делят всю поверхность полушария на выпуклые извилины и доли. Три главные борозды - центральная, боковая и теменно-затылочная - делят каждое полушарие на четыре доли: лобную, теменную, затылочную и височную. Отдельные области коры головного мозга имеют разное функциональное значение. В кору больших полушарий поступают импульсы от рецепторных образований. Каждому периферическому рецепторному аппарату в коре соответствует область, называемая корковым ядром анализатора. Анализатор - это анатомо-физиологическое образование, обеспечивающее восприятие и анализ информации о явлениях, происходящих в окружающей среде и (или) внутри организма человека, и формирующее специфические для определенного анализатора ощущения (например, болевой, зрительный, слуховой анализатор). Области коры, где находятся корковые ядра анализаторов, называются сенсорными зонами коры больших полушарий. С сенсорными зонами взаимодействует моторная зона коры больших полушарий, при ее раздражении возникает движение. Это можно показать на простом примере: при приближении пламени свечи, болевые и тепловые рецепторы пальцев руки начинают посылать сигналы, тогда нейроны соответствующего анализатора идентифицируют эти сигналы как боль, вызванную ожогом, и мышцам «отдается приказ» отдернуть руку.

Ассоциативные зоны

Ассоциативные зоны - это функциональные зоны коры головного мозга. Они связывают поступающую сенсорную информацию с полученной ранее и хранящейся в памяти, а также сравнивают между собой информацию, получаемую от разных рецепторов. Сенсорные сигналы осмысливаются, интерпретируются и, если это необходимо, передаются в связанную с ней двигательную зону. Таким образом, ассоциативные зоны участвуют в процессах мышления, запоминания и обучения.

Доли конечного мозга

Конечный мозг делится на лобную, затылочную, височную и теменную доли. В лобной доле имеются зоны интеллекта, способности к концентрации внимания и моторные зоны; в височной - слуховые зоны, в теменной - зоны вкуса, осязания, пространственной ориентации, а в затылочной - зрительные зоны.

Зона речи

Обширные повреждения левой височной доли, например, в результате серьезных травм головы и различных заболеваний, а также после инсульта, обычно сопровождаются сенсорными и моторными нарушениями речи.

Конечный мозг - это наиболее молодая и развитая часть головного мозга, которая обуславливает умение человека мыслить, чувствовать, говорить, анализировать, а также управляет всеми процессами, происходящими в организме. К функциям других частей головного мозга, прежде всего, относятся управление и передача импульсов, множество жизненно важных функций - они регулируют обмен гормонов, обмен веществ, рефлексы и др.

Для нормального функционирования мозга необходим кислород. Например, если при остановке сердца или травме сонной артерии нарушается мозговое кровообращение, то уже спустя несколько секунд человек теряет сознание, а по истечении 2 минут начинают погибать мозговые клетки.

Функции промежуточного мозга

Зрительный бугор (таламус) и подбугорье (гипоталамус) являются частями промежуточного мозга. Импульсы от всех рецепторов организма поступают в ядра таламуса. Поступившая информация в таламусе перерабатывается и направляется к большим полушариям мозга. Таламус соединяется с мозжечком и так называемой лимбической системой. Гипоталамус регулирует вегетативные функции организма. Влияние гипоталамуса осуществляется через нервную систему и железы внутренней секреции. Гипоталамус также участвует в регуляции функций многих эндокринных желез и обмена веществ, а также в регуляции температуры тела и деятельности сердечно-сосудистой и пищеварительной систем.

Лимбическая система

В формировании эмоционального поведения человека большую роль играет лимбическая система. К лимбической системе относят нервные образования, расположенные на срединной стороне конечного мозга. Эта область еще не вполне изучена. Предполагается, что лимбическая система и управляемое ею подбугорье являются ответственными за множество наших чувств и желаний, например, под их воздействием возникают жажда и голод, страх, агрессивность, половое влечение.

Функции ствола головного мозга

Ствол головного мозга - это филогенетически древняя часть мозга, состоящая из среднего, заднего и продолговатого мозга. В среднем мозге имеются первичные зрительные и слуховые центры. С их участием осуществляются ориентировочные рефлексы на свет и звук. В продолговатом мозге расположены центры регуляции дыхания, сердечно-сосудистой деятельности, функций пищеварительных органов, а также обмена веществ. Продолговатый мозг принимает участие в осуществлении таких рефлекторных актов, как жевание, сосание, чихание, глотание, рвота.

Функции мозжечка

Мозжечок контролирует движения тела. К мозжечку приходят импульсы от всех рецепторов, которые раздражаются во время движений тела. Функция мозжечка может нарушаться при принятии алкоголя или других веществ, вызывающих головокружение. Поэтому под действием опьянения люди не способны нормально координировать свои движения. В последние годы появляется все больше доказательств, что мозжечок имеет значение и в познавательной деятельности человека.

Черепно-мозговые нервы

Помимо спинного мозга очень важны и двенадцать черепно-мозговых нервов: I и II пары -обонятельный и зрительный нервы; III, IV VI пары - глазодвигательные нервы; V пара -тройничный нерв - иннервирует жевательные мышцы; VII - лицевой нерв - иннервирует мимические мышцы, содержит также секреторные волокна к слезной и слюнным железам; VIII пара - преддверно-улитковый нерв - связывает органы слуха, равновесия и гравитации; IX пара - языкоглоточный нерв - иннервирует глотку, ее мышцы, околоушную железу, вкусовые почки языка; X пара - блуждающий нерв -разделяется на ряд ветвей, которые иннервируют легкие, сердце, кишечник, регулируют их функции; XI пара - добавочный нерв - иннервирует мышцы плечевого пояса. В результате слияния спинномозговых нервов образуется XII пара - подъязычный нерв - иннервирует мышцы языка и подъязычный аппарат.

Однако несколько вольно этот термин используют для обозначения аналогичных структур высокоорганизованных беспозвоночных - так, например, у насекомых «головным мозгом» называют иногда скопление ганглиев окологлоточного нервного кольца . При описании более примитивных организмов говорят о головных ганглиях , а не о мозге.

Вес головного мозга в процентах от массы тела составляет у современных хрящевых рыб 0,06-0,44 %, у костных рыб 0,02-0,94 %, у хвостатых земноводных 0,29-0,36 %, у бесхвостых 0,50-0,73 % . У млекопитающих относительные размеры головного мозга значительно больше: у крупных китообразных 0,3 %; у мелких китообразных - 1,7 %; у приматов 0,6-1,9 %. У человека отношение массы головного мозга к массе тела в среднем равно 2 %.

Наиболее крупные размеры имеет головной мозг млекопитающих отрядов китообразные , хоботные , приматы . Наиболее сложным и функциональным мозгом считается мозг человека разумного.

Средняя масса головного мозга у различных живых существ приведена в таблице .

Группа	Масса мозга, г
Кашалот	7800
Финвал	6930
Слон	4783
Косатка	5620
Горбатый кит	4675
Серый кит	4317
Гренландский кит	2738
Гринда	2670
Бутылконосый дельфин	1500-1600
Взрослый человек	1300-1400
Морж	1020-1126
Питекантроп	850-1000
Верблюд	762
Жираф	680
Бегемот	582
Морской леопард	542
Лошадь	532
Горилла	465-540
Белый медведь	498
Корова	425-458
Шимпанзе	420
Новорождённый человек	350-400

Группа	Масса мозга, г
Орангутан	370
Калифорнийский морской лев	363
Ламантин	360
Тигр	263,5
Лев	240
Гризли	234
Свинья	180
Ягуар	157
Овца	140
Павиан	137
Макак-резус	90-97
Собака (бигль)	72
Трубкозуб	72
Бобр	45
Большая белая акула	34
Усатая акула-нянька	32
Кошка	30
Дикобраз	25
Беличья обезьяна	22
Сурок	17
Кролик	10-13
Утконос	9

Группа	Масса мозга, г
Аллигатор	8,4
Белка	7,6
Опоссум	6
Шерстокрыл	6
Муравьед	4,4
Морская свинка	4
Обыкновенный фазан	4,0
Ёж	3,35
Тупайя	3
Броненосец	2,5
Сова	2,2
Крыса (массой 400 г)	2
Серая куропатка	1,9
Хомяк	1,4
Прыгунчик	1,3
Воробей	1,0
Европейская перепёлка	0,9
Черепаха	0,3-0,7
Лягушка-бык	0,24
Гадюка	0,1
Золотая рыбка	0,097
Зелёная ящерица	0,08

Ткани мозга

Головной мозг заключен в прочную оболочку черепа (за исключением простых организмов). Кроме того, он покрыт оболочками (лат. meninges ) из соединительной ткани - твёрдой (лат. dura mater ) и мягкой (лат. pia mater ), между которыми расположена сосудистая, или паутинная (лат. arachnoidea ) оболочка. Между оболочками и поверхностью головного и спинного мозга расположена цереброспинальная (часто её называют спинномозговая) жидкость - ликвор (лат. liquor ). Цереброспинальная жидкость также содержится в желудочках головного мозга . Избыток этой жидкости называется гидроцефалией . Гидроцефалия бывает врождённой (чаще) и приобретённой.

Клетки мозга

В результате совместных исследований, проведённых в 2006 году, учёные из университетов Окленда (Новая Зеландия) и Гётеборга (Швеция) выяснили, что благодаря деятельности стволовых клеток человеческий мозг способен воспроизводить новые нейроны. Исследователи обнаружили, что в отделе мозга человека, который отвечает за обоняние, из клеток-предшественниц образуются зрелые нейроны . Стволовые клетки, находящиеся в мозге, перестают делиться, происходит реактивация некоторых участков хромосом, начинают формироваться специфические для нейронов структуры и соединения. С этого момента клетку можно считать полноценным нейроном. Известны две области активного прироста нейронов. Одна из них - зона памяти. В другую входит зона мозга, ответственная за движения. Этим объясняется частичное и полное восстановление со временем соответствующих функций после повреждения данного участка мозга.

Кровоснабжение

Функционирование нейронов мозга требует значительных затрат энергии, которую мозг получает через сеть кровоснабжения. Головной мозг снабжается кровью из бассейна трёх крупных артерий - двух внутренних сонных артерий (лат. a. carotis interna ) и основной артерии (лат. a. basilaris ). В полости черепа внутренняя сонная артерия имеет продолжение в виде передней и средней мозговых артерий (лат. aa. cerebri anterior et media ). Основная артерия находится на вентральной поверхности ствола мозга и образована слиянием правой и левой позвоночных артерий. Её ветвями являются задние мозговые артерии. Перечисленные три пары артерий (передняя, средняя, задняя), анастомозируя между собой, образуют артериальный (виллизиев) круг. Для этого передние мозговые артерии соединяются между собой передней соединительной артерией (лат. a. communicans anterior ), а между внутренней сонной (или, иногда средней мозговой) и задней мозговыми артериями, с каждой стороны, имеется задняя соединительная артерия (лат. aa.communicans posterior ). Отсутствие анастомозов между артериями становится заметным при развитии сосудистой патологии (инсультов), когда из-за отсутствия замкнутого круга кровоснабжения область поражения увеличивается. Кроме того, возможны многочисленные варианты строения (разомкнутый круг, нетипичное деление сосудов с формированием трифуркации и другие). Если активность нейронов в одном из отделов усиливается, увеличивается и кровоснабжение этой области. Регистрировать изменения функциональной активности отдельных участков головного мозга позволяют такие методы неинвазивной нейровизуализации, как функциональная магнитно-резонансная томография и позитрон-эмиссионная томография.

Между кровью и тканями мозга имеется гематоэнцефалический барьер , который обеспечивает избирательную проницаемость веществ, находящихся в сосудистом русле, в церебральную ткань. В некоторых участках мозга этот барьер отсутствует (гипоталамическая область) или отличается от других частей, что связано с наличием специфических рецепторов и нейроэндокринных образований. Этот барьер защищает мозг от многих видов инфекции. В то же время многие лекарственные препараты, эффективные в других органах, не могут проникнуть в мозг через барьер.

При массе, составляющей около 2 % от общей массы тела, мозг взрослого человека потребляет 15 % объёма циркулирующей крови, используя 50 % глюкозы, вырабатываемой печенью и поступающей в кровь .

Функции

Отделы мозга

Основные отделы головного мозга человека

Ромбовидный (задний) мозг
- задний (собственно задний)
  - мост (содержит главным образом проекционные нервные волокна и группы нейронов, является промежуточным звеном контроля мозжечка)
  - мозжечок (состоит из червя и полушарий, на поверхности мозжечка нервные клетки образуют кору)

Полостью ромбовидного мозга является IV желудочек (на дне его имеются отверстия, которые соединяют его с другими тремя желудочками мозга, а также с субарахноидальным пространством).

средний мозг
- полость среднего мозга - водопровод мозга (Сильвиев водопровод)
- ножки мозга
передний мозг состоит из промежуточного и конечного мозга .
- промежуточный (через этот отдел происходит переключение всей информации, которая идет из низлежащих отделов мозга в большие полушария). Полостью промежуточного мозга является III желудочек .
  - эпиталамус
    - поводок
    - серая полоска
  - гипоталамус (центр вегетативной нервной системы)
    - воронка гипофиза
- конечный
  - базальные ядра (стриатум)
    - ограда
  - «обонятельный мозг »
    - обонятельная луковица (проходит обонятельный нерв)
    - обонятельный тракт
    - полость конечного мозга - боковые (I и II желудочки)

Поток сигналов к головному мозгу и от него осуществляется через спинной мозг , управляющий телом, и через черепные нервы . Сенсорные (или афферентные) сигналы поступают от органов чувств в подкорковые (то есть предшествующие коре полушарий) ядра, затем в таламус , а оттуда в высший отдел - кору больших полушарий .

Кора состоит из двух полушарий, соединённых между собой пучком нервных волокон - мозолистым телом (corpus callosum) . Левое полушарие ответственно за правую половину тела, правое - за левую. У человека правое и левое полушарие имеют разные функции.

Зрительные сигналы поступают в зрительный отдел коры (в затылочной доле), тактильные в соматосенсорную кору (в теменной доле), обонятельные - в обонятельную кору и т. д. В ассоциативных же областях коры происходит интеграция сенсорных сигналов разных типов (модальностей).

С одной стороны, существует локализация функций в отделах головного мозга, с другой - все они соединены в единую сеть.

Пластичность

Мозг обладает свойством пластичности. Если поражен один из его отделов, другие отделы через некоторое время могут компенсировать его функцию. Пластичность мозга играет роль и в обучении новым навыкам.

Эмбриональное развитие

Эмбриональное развитие мозга является одним из ключей к пониманию его строения и функций.

Головной мозг развивается из ростральной части нервной трубки . Бо́льшая часть головного мозга (95 %) является производной крыловидной пластинки .

Эмбриогенез мозга проходит через несколько стадий.

Стадия трёх мозговых пузырей - у человека в начале четвёртой недели внутриутробного развития ростральный конец нервной трубки формирует три пузыря: Prosencephalon (передний мозг), Mesencephalon (средний мозг), Rhombencephalon (ромбовидный мозг , или первичный задний мозг).
Стадия пяти мозговых пузырей - у человека в начале девятой недели внутриутробного развития Prosencephalon окончательно делится на Telencephalon (конечный мозг) и Diencephalon (промежуточный мозг), Mesencephalon сохраняется, а Rhombencephalon делится на Metencephalon (задний мозг) и Myelencephalon (продолговатый мозг).

В процессе формирования второй стадии (с третьей по седьмую недели развития) головной мозг человека приобретает три изгиба: среднемозговой, шейный и мостовой. Сначала одновременно и в одном направлении формируются среднемозговой и мостовый изгибы, потом - и в противоположном направлении - шейный. В итоге линейный мозг зигзагообразно «складывается».

При развитии мозга человека можно отметить определённое сходство филогенеза и онтогенеза . В процессе эволюции животного мира первым сформировался конечный мозг, а затем - средний мозг. Передний мозг является эволюционно более новым образованием головного мозга. Также и во внутриутробном развитии ребёнка сначала формируется задний мозг как самая эволюционно древняя часть мозга, а затем - средний мозг и потом - передний мозг. После рождения с младенческого возраста до совершеннолетия происходит организационное усложнение нейронных связей в мозге.

Методы исследования

Абляции

Одним из старейших методов исследования мозга является методика абляций , которая состоит в том, что один из отделов мозга удаляется, и ученые наблюдают за изменениями, к которым приводит такая операция.

Не всякую область мозга можно удалить, не убив организм. Так, многие отделы ствола мозга ответственны за жизненно важные функции, такие, как дыхание , и их поражение может вызвать немедленную смерть . Тем не менее, поражение многих отделов, хотя и отражается на жизнеспособности организма, несмертельно. Это, например, относится к областям коры больших полушарий. Обширный инсульт вызывает паралич или потерю речи , но организм продолжает жить. Вегетативное состояние , при котором большая часть мозга мертва, можно поддерживать за счет искусственного питания.

Исследования с применением абляций имеют давнюю историю и продолжаются в настоящее время. Если ученые прошлого удаляли области мозга хирургическим путём, то современные исследователи используют токсические вещества, избирательно поражающие ткани мозга (например, клетки в определённой области, но не проходящие через неё нервные волокна).

После удаления отдела мозга какие-то функции теряются, а какие-то сохраняются. Например, кошка, мозг которой рассечён выше таламуса , сохраняет многие позные реакции и спинномозговые рефлексы . Животное, мозг которого рассечён на уровне ствола мозга (децеребрированное), поддерживает тонус мышц-разгибателей, но утрачивает позные рефлексы.

Проводятся наблюдения и за людьми с поражениями мозговых структур. Так, богатую информацию для исследователей дали случаи огнестрельных ранений головы во время Второй мировой войны. Также проводятся исследования больных, поражённых инсультом, и с поражениями мозга в результате травмы .

Транскраниальная магнитная стимуляция

Транскраниальная магнитная стимуляция , - метод, позволяющий неинвазивно стимулировать кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. ТМС не сопряжена с болевыми ощущениями и поэтому может применяться в качестве диагностической процедуры в амбулаторных условиях. Магнитный импульс, генерируемый ТМС, представляет собой быстро меняющееся во времени магнитное поле, которое продуцируется вокруг электромагнитной катушки во время прохождения в ней тока высокого напряжения после разряда мощного конденсатора (магнитного стимулятора). Магнитные стимуляторы, используемые сегодня в медицине, способны генерировать магнитное поле интенсивностью до 2 Тесла, что позволяет стимулировать элементы коры головного мозга на глубине до 2 см. В зависимости от конфигурации электромагнитной катушки, ТМС может активировать различные по площади участки коры, то есть быть либо 1) фокальным, что дает возможность избирательно стимулировать небольшие области коры, либо 2) диффузным, что позволяет одновременно стимулировать разные отделы коры.

При стимуляции моторной зоны коры головного мозга ТМС вызывает сокращение определённых периферических мышц в соответствии с их топографическим представительством в коре. Метод позволяет производить оценку возбудимости моторной системы головного мозга, включая её возбуждающие и тормозные компоненты. ТМС используется при лечении заболеваний мозга, таких, как синдром Альцгеймера, изучении слепоты, глухоты, эпилепсии и т. п.

Электрофизиология

Электрофизиологи регистрируют электрическую активность мозга - с помощью тонких электродов , позволяющих записывать разряды отдельных нейронов , или с помощью электроэнцефалографии (методики отведения потенциалов мозга с поверхности головы).

Тонкий электрод может быть сделан из металла (покрытого изоляционным материалом, обнажающим лишь острый кончик) или из стекла. Стеклянный микроэлектрод представляет собой тонкую трубочку, заполненную внутри солевым раствором. Электрод может быть настолько тонок, что проникает внутрь клетки и позволяет записывать внутриклеточные потенциалы. Другой способ регистрации активности нейронов, внеклеточный -

«Википедия мозга»
против слабоумия, психических заболеваний и мозговых «катастроф»

Профессор Владимир Лазаревич Зельман, иностранный член РАМН и РАН, один из пионеров нейроанестезиологии, член Международного академического совета Новосибирского государственного университета, выпускник Новосибирского медицинского института, сегодня входит в тройку лучших американских анестезиологов. Университет Южной Калифорнии (Лос-Анджелес, США), в котором В. Л. Зельман руководит кафедрой анестезиологии и реаниматологии, является в США одним из лидеров в области нейронаук и принимает участие в ряде крупнейших проектов по изучению мозга, таких как ENIGMA. В своей лекции в НГМУ и в интервью «НАУКЕ из первых рук» профессор Зельман рассказал о самых интересных результатах, полученных сотрудниками университета в партнерстве с коллегами из других организаций в одной из самых «горячих» точек на стыке современной биологии и медицины. Среди них – генетическая база данных развивающегося мозга, которая позволит оценивать генетические риски возникновения заболеваний; карта размещения в мозге всех нейронов и соединяющей их «проводки»; нейрокомпьютерные технологии, позволяющие «силой мысли» управлять бионическими протезами

Для начала немного статистики: по мнению экспертов, к 2050 г. в мире число людей, страдающих деменцией – приобретенным слабоумием, может возрасти почти в три раза и достигнуть 132 млн. Наиболее распространенная форма деменции связана с болезнью Альцгеймера – нейродегенеративным заболеванием, развивающимся преимущественно в пожилом возрасте. И отсрочка начала болезни всего лишь на 5 лет (с 76 лет до 81 года) позволит уменьшить число больных вдвое!

И это лишь один красноречивый пример значимости нейронаук, занимающихся изучением мозга – физической основы нашего сознания, подсознания и мыслительной деятельности, одного из сложнейших и самых загадочных органов человеческого организма. Механизмы функционирования мозга до конца не выяснены, хотя за последнюю четверть века благодаря появлению новых исследовательских технологий, таких как магнитно-резонансная томография, электроэнцефалография и других, о биологии здорового и больного мозга стало известно больше, чем за всю предыдущую историю его изучения. За последние же десять лет выяснилось, что в центральной и периферической нервной системе в той или иной степени экспрессируется по крайней мере 80 % известных на сегодня генов.

Вложения в нейронауки оцениваются сегодня в миллиарды долларов. Так, за последнее десятилетие XX в., объявленное «декадой мозга», Конгресс США выделил на исследования в этой области около 3 млрд долл. Для сравнения: на исследование генома человека в это же время было выделено около 3,7 млрд долл.; символично, что два этих важнейших научных проекта шли параллельно.

Университет Южной Калифорнии (University of Southern California), основанный в 1880 г., является самым старым частным научно-исследовательским университетом Калифорнии. В последние годы согласно авторитетным рейтингам он традиционно входит в первую сотню лучших университетов мира. Сейчас в университете обучается свыше 40 тыс. студентов. В 1994 г. профессор университета Д. Э. Олах получил Нобелевскую премию по химии

Университет Южной Калифорнии в последние годы занимает лидирующие позиции в исследованиях мозга не только в США, но и в мире, благодаря использованию уникального мультидисциплинарного подхода, позволяющего совместно разрешать загадки заболеваний мозга способами, недоступными для изолированно работающих лабораторий.

Так, уже несколько лет ученые из Института нейрогенетики им. Зилка Университета Южной Калифорнии ведут совместные исследования с группой сотрудников из Йельского университета и Института мозга им. Аллена. Их цель – создать полную генетическую базу данных развивающегося мозга человека, которая позволит оценивать генетический риск возникновения различных мозговых нарушений. На сегодня идентифицированы уже более 300 генетических локусов, связанных с патологией центральной нервной системы, всего же в уникальном Атласе генной транскрипции мозга планируется представить данные экспрессии генов для 15 отделов мозга в 13 возрастных категориях. Уже на сегодня эта база является самой большой в мире, и с 2011 г. она доступна для всех заинтересованных пользователей.

Университет Южной Калифорнии стал инициатором глобального проекта изучения мозга ENIGMA , который возглавляет профессор университета П. Томпсон и финансирует Национальный институт здоровья США. В этом крупнейшем международном проекте сегодня работают около 200 математиков, генетиков, нейробиологов и медиков более чем из 35 стран мира, в том числе России (из Новосибирского государственного университета, ряда институтов СО РАН, Института нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко, Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича и др.). В рамках проекта ведутся исследования структур и функций мозга и предрасположенности к таким болезням, как шизофрения, болезнь Альцгеймера, депрессия, наркозависимость и др. Основное внимание при этом уделяется выявлению факторов, вызывающих или, наоборот, предотвращающих то или иное заболевание, таких как образ жизни, пищевые привычки и, конечно же, наследственность. К примеру, недавно был открыт ген, участвующий в развитии ожирения через нарушения в работе мозговых структур.

В человеческом мозге находится около 100 млрд специализированных нервных клеток – нейронов, каждый из которых имеет около 10 тыс. синапсов, служащих для передачи нервного импульса между клетками. Различные участки нашего мозга, отвечающие за мышление, восприятие и ощущения, соединены нервными волокнами общей длиной в 100 тыс. миль (161 тыс. км)

Важнейшей частью проекта ENIGMA является Connectome – проект по изучению проводящей системы мозга. Само понятие «коннектом» было введено по аналогии с понятием «геном» для полного описания структуры связей в нервной системе. В ходе проекта Connectome будет создана четырехмерная (четвертое измерение – время) карта размещения в мозге всех нейронов и соединяющей их «проводки», описывающая все 100 трлн возможных взаимодействий между клетками. Этот проект, где в единой карте будут объединены все результаты визуализации мозга, можно с полным правом назвать «Википедией мозга». В результате станет возможным установить изменчивость и генетическую предопределенность нейронов, проследить их взаимодействия в реальном масштабе времени, а также выявить наличие нейронных патологий.

Как и любые клетки, кaждый тип нейронов использует определенный набор генов для создания своей молекулярной машинерии; последовательно взаимодействующие нейроны образуют так называемые нейронные цепи (простейший пример – рефлекторная дуга). Понимание всех нюансов работы нейронных цепей должно помочь и в понимании патогенеза болезней мозга, что сделает их диагностику более эффективной. Ведь тогда станет возможно распознавать патологические процессы не только на основе симптомов, и вести поиск заболеваний буквально на уровне отдельных синапсов.

На сегодня описано около полутора десятков разновидностей психических заболеваний. Не исключено, что в ближайшее десятилетие, когда станет известно, на каком этапе и в каком месте включаются-выключаются гены, которые перенаправляют синаптическую активность в «неправильном» направлении, число выявленных болезней возрастет на один-два порядка. Лечение при этом станет более персонализированным, а в случае ранней диагностики можно будет проводить коррекцию таких «неправильных» процессов с полной реабилитацией пациента.

В рамках проекта ENIGMA уже собран огромный массив генетических данных и данных по визуализации мозга – около 50 тыс. визуализаций мозга у 33 тыс. людей из более трех десятков стран мира! Собрать такой материал сегодня не так уж трудно, но чтобы дешифровать и интерпретировать эти огромные информационные потоки, требуются суперкомпьютеры и специалисты по работе с «большими» данными – биоинформатики. Современной науке такие задачи принципиально уже под силу, поэтому не исключено, что в недалеком будущем каждый из нас станет обладателем «флешки», на которой будет записана расшифровка не только нашего генома, но и самой нашей личности.

Уже сегодня исследования проводящей системы мозга дают надежду облегчить жизнь больным с серьезными мозговыми повреждениями, полученными в результате травмы. Речь идет о нейрокомпьютерной технологии (так называемом интерфейсе «мозг–компьютер»), которая позволяет парализованному человеку «силой мысли» управлять бионическими протезами, к примеру, механической рукой.

Профессор Зельман: «17 апреля 2012 г. мы впервые провели операцию пациенту с простреленным шейным отделом позвоночника, страдающему тетраплегией – нарушением двигательной способности всех четырех конечностей. В головной мозг пациента были внедрены специальные электронные чипы, каждый из которых имеет 96 датчиков, считывающих сигналы мозговой активности; через антенны эта информация передается на компьютер, управляющий работой специально сконструированной бионической руки. Сейчас в США подобным образом прооперированы шесть пациентов. Эти работы финансируются Министерством обороны США»

Одна из проблем подобных нейрокомпьютерных технологий заключается в выборе сигналов мозга, которые нужно использовать для управления бионическими протезами. По мнению ряда исследователей, нужно считывать активность нервных клеток моторной коры головного мозга, непосредственно отвечающей за движения, – в этом случае обратные связи формируются на уровне собственно действия. Но есть и другой подход, при котором предпочтение отдается не самому действию, а намерению его сделать! Идея установки чипов в область серединной коры, участвующей в планировании действий, принадлежит коллеге Зельмана профессору Р. Андерсону из Калифорнийского технологического института.

Ричард Андерсон в течение последних 25 лет исследовал мозг в поисках кластеров нейронов, активность которых можно использовать для управления движениями искусственной конечности. Он был уверен, что для этого не нужна информация о самом движении, ведь каждое из них обеспечивается в коннектоме сотней тысяч нейронных связей, которые трудно отследить. В этом смысле гораздо более перспективно само намерение делать то или иное действие, и Андерсон в итоге обнаружил в задней черепной ямке, рядом со зрительными анализаторами, область, где оно формируется.

И действительно, у других пяти больных, которым чип был вживлен в область моторной коры, координация оказалась значительно хуже, они чаще промахивались, осуществляя движение, например, когда брали банку с соком. Но еще большая проблема заключается в том, что пока все такие бионические конечности используются лишь в рамках экспериментов, которые рано или поздно заканчиваются. Чипы, вживленные в мозг, воспринимаются последним как инородное тело и в конечном итоге инкапсулируются и теряют связь с нейронами. Тем не менее суть этих работ в том, что они показывают принципиальную возможность облегчить жизнь полностью парализованных пациентов с помощью интерфейса «мозг–компьютер».

…Возвращаясь к болезни Альцгеймера, напомним, что мозг здоровых людей теряет в год менее 1 % своего веса, причем эта потеря компенсируется благодаря регенерации ткани под влиянием умственной активности. Симптомы болезни Альцгеймера начинают проявляться при потере 10 % ткани мозга, и в обычных условиях это необратимый процесс. Однако к настоящему времени ученые обнаружили уже 9 генов, способных ускорять и замедлять развитие этой болезни, в том числе Apoe4, который является ведущим фактором риска для этой наиболее распространенной формы старческого слабоумия (уже сейчас на животных испытываются вещества, способные трансформировать кодируемый этим геном «агрессивный» белок Apoe4 в более безопасную изоформу).

Более того: уже сегодня ученые Университета Южной Калифорнии вместе со своими коллегами из Университета Уэйк Форест (Северная Каролина) ведут работы по «записи» информации, хранящейся в мозге, благодаря которой мозг человека, страдающего болезнью Альцгеймера, можно будет «перезагрузить», вернув, хотя бы временно, утраченные воспоминания. Этот кажущийся даже сегодня фантастическим результат – лишь наглядное свидетельство успехов, которых современная наука добилась в изучении мозга – органа, который в течение столетий считался пригодным исполнять лишь функцию охлаждения крови!

Несмотря на значительный прогресс в изучении головного мозга в последние годы, многое в его работе до сих пор остаётся загадкой. Функционирование отдельных клеток достаточно хорошо объяснено, однако понимание того, как в результате взаимодействия тысяч и миллионов нейронов мозг функционирует как целое, доступно лишь в очень упрощённом виде и требует дальнейших глубоких исследований.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Головной мозг. Строение и функции. Видеоурок по биологии 8 класс

✪ Как устроен головной мозг

✪ Головной мозг

✪ Анатомия человека. Мозг.

✪ Урок биологии №45. Строение и функции отделов головного мозга.

Субтитры

Головной мозг как орган позвоночных

Головной мозг - главный отдел ЦНС . Говорить о наличии головного мозга в строгом смысле можно только применительно к позвоночным , начиная с рыб . Однако несколько вольно этот термин используют для обозначения аналогичных структур высокоорганизованных беспозвоночных - так, например, у насекомых «головным мозгом» называют иногда скопление ганглиев окологлоточного нервного кольца . При описании более примитивных организмов говорят о головных ганглиях , а не о мозге.

Ткани мозга

Клетки мозга

До сих пор было известно, что нервные клетки восстанавливаются только у животных. Однако недавно ученые обнаружили, что в отделе мозга человека, который отвечает за обоняние, из клеток-предшественниц образуются зрелые нейроны. Однажды они смогут помочь «починить» травмированный мозг . Стволовые клетки, находящиеся в мозге, перестают делиться, происходит реактивация некоторых участков хромосом, начинают формироваться специфические для нейронов структуры и соединения. С этого момента клетку можно считать полноценным нейроном. На сегодняшний момент известны только 2 области активного прироста нейронов. Одна из них - зона памяти. В другую входит зона мозга, ответственная за движения. Этим объясняется частичное и полное восстановление со временем соответствующих функций после повреждения данного участка мозга.

Кровоснабжение

Функционирование нейронов мозга требует значительных затрат энергии, которую мозг получает через сеть кровоснабжения. Головной мозг снабжается кровью из бассейна трёх крупных артерий - двух внутренних сонных артерий (лат. a. carotis interna ) и основной артерии (лат. a. basilaris ). В полости черепа внутренняя сонная артерия имеет продолжение в виде передней и средней мозговых артерий (лат. aa. cerebri anterior et media ). Основная артерия находится на вентральной поверхности ствола мозга и образована слиянием правой и левой позвоночных артерий. Её ветвями являются задние мозговые артерии. Перечисленные три пары артерий (передняя, средняя, задняя), анастомозируя между собой, образуют артериальный (виллизиев) круг. Для этого передние мозговые артерии соединяются между собой передней соединительной артерией (лат. a. communicans anterior ), а между внутренней сонной (или, иногда средней мозговой) и задней мозговыми артериями, с каждой стороны, имеется задняя соединительная артерия (лат. aa.communicans posterior ). Отсутствие анастомозов между артериями становится заметным при развитии сосудистой патологии (инсультов), когда из-за отсутствия замкнутого круга кровоснабжения область поражения увеличивается. Кроме того, возможны многочисленные варианты строения (разомкнутый круг, нетипичное деление сосудов с формированием трифуркации и др.). Если активность нейронов в одном из отделов усиливается, увеличивается и кровоснабжение этой области. Регистрировать изменения функциональной активности отдельных участков головного мозга позволяют такие методы неинвазивной нейровизуализации, как функциональная магнитно-резонансная томография и позитрон-эмиссионная томография.

Функции

Функции мозга включают обработку сенсорной информации, поступающей от органов чувств, планирование , принятие решений , координацию , управление движениями, положительные и отрицательные эмоции , внимание , память . Мозг человека выполняет высшую функцию - мышление . Одной из функций мозга человека является восприятие и генерация речи .

Отделы мозга

Пластичность

Эмбриональное развитие

Эмбриональное развитие мозга является одним из ключей к пониманию его строения и функций.

Эмбриогенез мозга проходит через несколько стадий.

Стадия трёх мозговых пузырей - у человека в начале четвёртой недели внутриутробного развития ростральный конец нервной трубки формирует три пузыря: Prosencephalon (передний мозг), Mesencephalon (средний мозг), Rhombencephalon (ромбовидный мозг , или первичный задний мозг).
Стадия пяти мозговых пузырей - у человека в начале девятой недели внутриутробного развития Prosencephalon окончательно делится на Telencephalon (конечный мозг) и Diencephalon (промежуточный мозг), Mesencephalon сохраняется, а Rhombencephalon делится на Metencephalon (задний мозг) и Myelencephalon (продолговатый мозг).

При развитии мозга человека можно отметить определенное сходство филогенеза и онтогенеза . В процессе эволюции животного мира первым сформировался конечный мозг, а затем - средний мозг. Передний мозг является эволюционно более новым образованием головного мозга. Также и во внутриутробном развитии ребёнка сначала формируется задний мозг как самая эволюционно древняя часть мозга, а затем - средний мозг и потом - передний мозг. После рождения с младенческого возраста до совершеннолетия происходит организационное усложнение нейронных связей в мозге.

Методы исследования

Абляции

После удаления отдела мозга какие-то функции теряются, а какие-то сохраняются. Например, кошка, мозг которой рассечён выше таламуса, сохраняет многие позные реакции и спинномозговые рефлексы . Животное, мозг которого рассечён на уровне ствола мозга (децеребрированное), поддерживает тонус мышц-разгибателей, но утрачивает позные рефлексы.

Транскраниальная магнитная стимуляция

В некоторых случаях тонкие электроды (от одного до нескольких сотен) вживляются в мозг, и исследователи регистрируют активность продолжительное время. В других случаях электрод вводится в мозг только на время эксперимента, а по окончании записи извлекается.

С помощью тонкого электрода можно регистрировать как активность отдельных нейронов, так и локальные потенциалы (local field potentials), образующиеся в результате активности многих сотен нейронов. С помощью ЭЭГ электродов, а также поверхностных электродов, накладываемых непосредственно на мозг, можно регистрировать только глобальную активность большого количества нейронов. Полагают, что регистрируемая таким образом активность складывается как из нейронных потенциалов действия (то есть нейронных импульсов), так и подпороговых деполяризаций и гиперполяризаций.

При анализе потенциалов мозга часто производят их спектральный анализ, причём разные компоненты спектра имеют разные названия: дельта (0,5-4 Гц), тета 1 (4-6 Гц), тета 2 (6-8 Гц), альфа (8-13 Гц), бета 1 (13-20 Гц), бета 2 (20-40 Гц), гамма-волны (включает частоту бета 2 ритма и выше).

Электрическая стимуляция

Одним из методов изучения функций мозга является электрическая стимуляция отдельных областей. С помощью этого метода был, например, исследован «моторный гомункулус» - было показано, что, стимулируя определенные точки в моторной коре, можно вызвать движение руки, стимулируя другие точки - движения ног и т. д. Полученную таким образом карту и называют гомункулусом. Разные части тела представлены различающимися по размеру участками коры мозга. Поэтому у гомункулуса большое лицо, большие пальцы и ладони, но маленькое туловище и ноги.

Если же стимулировать сенсорные области мозга, то можно вызвать ощущения. Это было показано как на человеке (в знаменитых опытах Пенфилда), так и на животных.

Применяется электрическая стимуляция и в медицине - от электрошока , показанного во многих кинофильмах об ужасах психиатрических клиник, до стимуляции структур в глубине мозга, ставшей популярным методом лечения болезни Паркинсона.

Другие методики

Для исследования анатомических структур головного мозга применяются рентгеновская КТ и МРТ . Также при анатомо-функциональных исследованиях головного мозга применяются ПЭТ , однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), функциональная МРТ . Возможна визуализация структур головного мозга методом ультразвуковой диагностики (УЗИ) при наличии ультразвукового «окна» - дефекта черепных костей, например, большой родничок у детей раннего возраста.

Поражения и заболевания

Изучение и лечение поражений и заболеваний мозга относится к ведению биологии и медицины (нейрофизиология , неврология , нейрохирургия , психиатрия и психологии).

Воспаление мозговых оболочек называется менингитом (соответственно трём оболочкам - пахименингит, лептоменингит и арахноидит).

Вес головного мозга взрослого человека в среднем равен одной пятидесятой части от общего веса тела. При этом мозг человека потребляет одну пятую циркулирующей крови (то есть одну пятую кислорода), одну пятую часть поступающей в организм глюкозы.

Средний вес головного мозга у различных живых существ приведён в таблице .

Группа	Вес мозга, г
Кашалот	7800
Финвал	6930
Слон	4783
Косатка	5620
Горбатый кит	4675
Серый кит	4317
Гренландский кит	2738
Гринда	2670
Бутылконосый дельфин	1500-1600