мозък. Човешки мозък
Животни, обикновено разположени в главата (предната) част на тялото и представляващи компактно натрупване на нервни клетки и техните дендритни процеси. При много животни той също съдържа глиални клетки и може да бъде заобиколен от обвивка от съединителна тъкан. При гръбначните животни (включително хората) се прави разлика между мозъка, разположен в черепната кухина, и гръбначния мозък, разположен в гръбначния канал.
Безгръбначен мозък
Мозъкът е добре развит в преобладаващата част от групите Bilateria - двустранно симетрични животни. Дори най-хистологично примитивните чревни турбелари (сега класифицирани като отделен тип Acoelomorpha) имат доста сложен мозък с кора, невропил и комисури.
Мозъчни области на бозайници
Ум и мозък
Освен това има твърдения, че умът е подобен на компютър и е алгоритмичен. Гледните точки „умът се генерира от мозъка“ и „компютъроподобният ум“ не е задължително да вървят заедно.
Размер на мозъка при бозайници
Мозъчната маса (kg) като функция на телесната маса (Mt, kg) за различни групибозайници:
Мозък в културата
Поради ключовото значение на мозъка в тялото, мозъкът е популярна тема. В древни времена изяждането на мозъка на победен човек или животно заедно с други части на тялото е символизирало придобиването на силата на врага. През Средновековието мозъкът се е разбирал като център на живота, наред със сърцето. В момента темата за мозъка е широко разпространена в измислица, видео игри и филми, особено филми за зомбита.
История на изследването на мозъка
Началото на съвременната наука за мозъка е положено в началото на 20 век с две открития: анализът на рефлексните актове и откриването на локализацията на функциите в кората на главния мозък. Въз основа на тези открития се предполага, че простата адаптивна неволеви движениясе осъществяват благодарение на рефлексната дъга на сегментното ниво, преминаваща през долните части на мозъка, а съзнателното възприятие и произволните движения се осигуряват от рефлекси по-висок ред, чиято сензомоторна дъга преминава през по-високите части на мозъка.
Мозъкът е част от централната нервна система, главният регулатор на всички жизнени функции на тялото. В резултат на поражението си, тежки заболявания. Мозъкът съдържа 25 милиарда неврони, които изграждат мозъчното сиво вещество. Мозъкът е покрит от три мембрани - твърда, мека и разположена между тях арахноидна, по чиито канали циркулира цереброспиналната течност (ликвор). Ликьорът е вид хидравличен амортисьор. Мозъкът на възрастен мъж тежи средно 1375 г, на жена - 1245 г. Това обаче не означава, че той е по-добре развит при мъжете. Понякога теглото на мозъка може да достигне 1800 g.
Структура
Мозъкът се състои от 5 основни дяла: теленцефалон, диенцефалон, среден мозък, заден мозък и продълговат мозък. Теленцефалонът съставлява 80% от общата маса на мозъка. Той протегна ръка от челна косткъм тилната. Telencephalon се състои от две полукълба, в които има много канали и извивки. Разделен е на няколко дяла (фронтален, париетален, темпорален и тилен). Има разлика между подкорието и кората на главния мозък. Подкорието се състои от подкорови ядрарегулиране на различни функции на тялото. Мозъкът е разположен в три черепни ями. Мозъчните полукълба заемат предната и средната ямка и задна ямка- малкия мозък, под който се намира продълговатия мозък.
Функции
Функциите на различните части на мозъка са различни.
Краен мозък
В сивата кора има около 10 милиарда неврони. Те образуват само 3 мм слой, но нервните им влакна са разклонени като мрежа. Всеки неврон може да има до 10 000 контакта с други неврони. Част нервни влакначрез corpus callosum на главния мозък свързва дясното и лявото полукълбо. Невроните изграждат сивото вещество, а влакната изграждат бели кахъри. Вътре в мозъчните полукълба, между фронтални дяловеи диенцефалон, са разположени клъстери сива материя. Това базални ганглии. Ганглиите са колекции от неврони, които предават информация.
Диенцефалон
Диенцефалонът е разделен на вентрална (хипоталамус) и дорзална (таламус, метаталамус, епиталамус) части. Таламусът е медиатор, в който всички дразнения, получени от външния свят, се събират и се изпращат към мозъчните полукълба, за да може тялото да се адаптира адекватно към постоянно променящата се среда. Хипоталамусът е основният подкорков център за регулиране на автономните функции на тялото.
Среден мозък
Простира се от предния ръб на моста до оптичните пътища и папиларните тела. Състои се от голям мозък и квадригеминални стъбла. През среден мозъквсеки минава възходящи пътищакъм кората на главния мозък и малкия мозък и низходящ, носещ импулси към продълговатия и гръбначния мозък. Важен е за обработката на нервните импулси, идващи от зрителни и слухови рецептори.
Малък мозък и мост
Малкият мозък се намира в тилната област зад продълговатия мозък и моста. Състои се от две полукълба и червей между тях. Повърхността на малкия мозък е осеяна с бразди. Малкият мозък участва в координацията на сложни двигателни действия.
Вентрикули на мозъка
Страничните вентрикули са разположени в полукълбата на предния мозък. Третият вентрикул се намира между зрителния таламус и е свързан с четвъртия вентрикул, който комуникира със субарахноидалното пространство. Цереброспиналната течност, разположена във вентрикулите, също циркулира в арахноидната материя.
Функции на главния мозък
Благодарение на работата на мозъка човек може да мисли, чувства, чува, вижда, докосва и се движи. Големият (крайният) мозък контролира всичко жизненоважно важни процеси, срещащи се в човешкото тяло, и също така е „вместилище” на всички наши интелектуални способности. От животинския свят хората се отличават преди всичко по развита речи способност за абстрактно мислене, т.е. способността да се мисли в морални или логически категории. Само в човешкото съзнание могат да възникнат различни идеи, например политически, философски, теологични, художествени, технически, творчески.
В допълнение, мозъкът регулира и координира работата на всички човешки мускули (както тези, които човек може да контролира чрез силата на волята, така и тези, които не зависят от волята на човека, например сърдечния мускул). Мускулите получават поредица от импулси от централната нервна система, на които мускулите реагират чрез свиване с определена сила и продължителност. Импулсите влизат в мозъка от различни органичувства, предизвикващи необходимите реакции, например завъртане на главата в посоката, от която се чува шумът.
Лявото мозъчно полукълбо контролира дясната половина на тялото, а дясното полукълбо контролира лявата. Двете полукълба се допълват взаимно.
Мозъкът наподобява орех, в него има три големи дяла - багажника, подкоровия отдел и кората на главния мозък. Общата повърхност на кората се увеличава поради множество канали, които разделят цялата повърхност на полукълбото на изпъкнали извивки и лобове. Три главни брази - централна, странична и теменно-окципитална - разделят всяко полукълбо на четири лоба: челен, париетален, тилен и темпорален. Отделните области на кората на главния мозък имат различни функционална стойност. Кората на главния мозък получава импулси от рецепторни образувания. Всеки периферен рецепторен апарат в кората съответства на област, наречена кортикално ядро на анализатора. Анализаторът е анатомично-физиологично образувание, което осигурява възприемане и анализ на информация за явления, случващи се в околната среда и (или) вътре в човешкото тяло, и генерира усещания, специфични за конкретен анализатор (например болка, зрителни, слухов анализатор). Областите на кората, където се намират кортикалните ядра на анализаторите, се наричат сензорни зони на мозъчната кора. Двигателната зона на мозъчната кора взаимодейства със сетивните зони, когато тя е раздразнена, възниква движение. Това може да се покаже с прост пример: когато пламъкът на свещ се приближи, рецепторите за болка и топлина на пръстите започват да изпращат сигнали, след което невроните на съответния анализатор идентифицират тези сигнали като болка, причинена от изгаряне, и мускулите са „ дадена заповед” да оттегли ръката.
Асоциативни зони
Асоциативните зони са функционални области на мозъчната кора. Те свързват входящата сензорна информация с предварително получена и съхранена в паметта, а също така сравняват информацията, получена от различни рецептори. Сензорните сигнали се разбират, интерпретират и, ако е необходимо, се предават към свързаната двигателна област. По този начин асоциативните зони участват в процесите на мислене, запомняне и учене.
Лобове на теленцефалона
Теленцефалонът е разделен на фронтален, тилен, темпорален и париетален дял. Фронталния лоб съдържа области на интелигентност, концентрация и двигателни зони; в темпоралните - слухови зони, в париеталните - зони на вкус, осезание, пространствена ориентация и в тилната - зрителни зони.
Зона за говор
Големи щети вляво темпорален лоб, например, в резултат на сериозни наранявания на главата и различни заболявания, както и след инсулт, обикновено са придружени от сензорни и двигателни говорни нарушения.
Теленцефалонът е най-младата и най-развита част от мозъка, която определя способността на човек да мисли, чувства, говори, анализира, а също така контролира всички процеси, протичащи в тялото. Функциите на други части на мозъка включват преди всичко контрол и предаване на импулси, много жизненоважни функции - те регулират обмена на хормони, метаболизма, рефлексите и др.
За нормално функциониранемозъкът има нужда от кислород. Например, ако по време на сърдечен арест или нараняване на каротидната артерия мозъчно кръвообращение, след това след няколко секунди човекът губи съзнание, а след 2 минути мозъчните клетки започват да умират.
Функции на диенцефалона
Таламусът и хипоталамусът са части от диенцефалона. В ядрата на таламуса постъпват импулси от всички рецептори в тялото. Получената информация се обработва в таламуса и се изпраща до мозъчните полукълба. Таламусът се свързва с малкия мозък и така наречената лимбична система. Хипоталамусът регулира автономните функции на тялото. Влиянието на хипоталамуса се осъществява чрез нервната система и ендокринните жлези. Хипоталамусът участва и в регулацията на функциите на много жлези с вътрешна секреция и метаболизма, както и в регулацията на телесната температура и дейността на сърдечно-съдовата и храносмилателната система.
Лимбична система
Лимбичната система играе важна роля при формирането на човешкото емоционално поведение. Лимбичната система включва нервни образуванияразположени от медиалната страна на теленцефалона. Този район все още не е напълно проучен. Предполага се, че лимбичната система и контролираният от нея субталамус са отговорни за много от нашите чувства и желания, например под тяхно влияние възникват жажда и глад, страх, агресивност, сексуално желание.
Функции на мозъчния ствол
Мозъчният ствол е филогенетично древна част от мозъка, състояща се от среден мозък, заден мозък и продълговат мозък. Междинният мозък съдържа първични зрителни и слухови центрове. С тяхно участие се осъществяват ориентировъчни рефлекси към светлина и звук. Продълговатият мозък съдържа центрове за регулиране на дишането, сърдечно-съдовата дейност и функциите. храносмилателни органи, както и метаболизма. Медулаучаства в изпълнението на такива рефлексни действия като дъвчене, смучене, кихане, преглъщане, повръщане.
Функции на малкия мозък
Малкият мозък контролира движенията на тялото. Малкият мозък получава импулси от всички рецептори, които се стимулират по време на движенията на тялото. Функцията на малкия мозък може да бъде нарушена от пиене на алкохол или други вещества, които причиняват замайване. Следователно, под въздействието на интоксикация, хората не могат нормално да координират движенията си. IN последните годиниИма все повече доказателства, че малкият мозък е важен за познавателна дейностчовек.
Краниални нерви
Освен това гръбначен мозъкДванадесетте черепномозъчни нерви също са много важни: двойки I и II - обонятелният и зрителният нерв; III, IV VI двойки - окуломоторни нерви; V чифт - тригеминален нерв- инервира дъвкателни мускули; VII - лицев нерв - инервира лицевите мускули, също така съдържа секреторни влакна към слъзния и слюнчените жлези; VIII двойка - вестибулокохлеарен нерв - свързва органите на слуха, равновесието и гравитацията; IX двойка - глософарингеален нерв- инервира фаринкса и неговите мускули, паротидна жлеза, вкусови рецептори на езика; X двойка - нерв вагус-разделени на няколко клона, които инервират белите дробове, сърцето, червата и регулират техните функции; XI чифт – допълнителен нерв – инервира мускулите на раменния пояс. В резултат на сливането на гръбначните нерви, a XII двойка - хипоглосен нерв- инервира мускулите на езика и подезичния апарат.
Въпреки това, този термин се използва донякъде свободно за обозначаване на подобни структури на високо организирани безгръбначни - например при насекомите "мозъкът" понякога се нарича група от ганглии на окологлътъчния нервен пръстен. Когато описват по-примитивни организми, те говорят за главните ганглии, а не за мозъка.
Теглото на мозъка като процент от телесното тегло е 0,06-0,44% при съвременните хрущялни риби, 0,02-0,94% при костните риби, 0,29-0,36% при опашатите земноводни, 0,0 при безопашатите земноводни 50-0,73%. При бозайниците относителните размери на мозъка са много по-големи: при големите китоподобни 0,3%; при малки китоподобни - 1,7%; при примати 0,6-1,9%. При хората съотношението на мозъчната маса към телесната маса е средно 2%.
Мозъците на бозайниците от разредите китоподобни, хоботни и примати са най-големи по размер. Най-трудният и функционален мозъксмятан за мозъка на Хомо сапиенс.
Средната маса на мозъка на различни живи същества е показана в таблицата.
|
|
|
Мозъчна тъкан
Мозъкът е затворен в здрава черупка на черепа (с изключение на простите организми). Освен това е покрита с мембрани (лат. meninges) от съединителна тъкан - твърда (лат. dura mater) и мека (лат. pia mater), между които има съдова, или арахноидна (лат. arachnoidea) мембрана. Между мембраните и повърхността на главния и гръбначния мозък има цереброспинална (често наричана цереброспинална течност) течност - цереброспинална течност (лат. ликьор). Цереброспиналната течност също се съдържа в вентрикулите на мозъка. Излишъкът от тази течност се нарича хидроцефалия. Хидроцефалията може да бъде вродена (по-често) или придобита.
Мозъчни клетки
В резултат на съвместни изследвания, проведени през 2006 г., учени от университетите в Оукланд (Нова Зеландия) и Гьотеборг (Швеция) установиха, че благодарение на дейността на стволовите клетки човешкият мозък е в състояние да възпроизвежда нови неврони. Изследователите са открили, че в частта от човешкия мозък, която е отговорна за обонянието, зрелите неврони се образуват от клетки-предшественици. Стволовите клетки, разположени в мозъка, спират да се делят, някои участъци от хромозомите се активират отново и започват да се формират специфични за невроните структури и връзки. От този момент нататък клетката може да се счита за пълноправен неврон. Известни са две области на активен невронален растеж. Една от тях е зоната на паметта. Другата включва областта на мозъка, отговорна за движението. Това обяснява частичното и пълно възстановяване във времето на съответните функции след увреждане на тази област на мозъка.
Кръвоснабдяване
Функционирането на мозъчните неврони изисква значителен разход на енергия, която мозъкът получава чрез кръвоснабдителната мрежа. Мозъкът се кръвоснабдява от басейна на три големи артерии - две вътрешни каротидни артерии(lat. a. carotis interna) и главната артерия (lat. a. basilaris). В черепната кухина вътрешната каротидна артерия има продължение под формата на предна и средна церебрална артерия (лат. aa. cerebri anterior et media). Базиларната артерия е разположена на вентралната повърхност на мозъчния ствол и се образува от сливането на дясната и лявата вертебрални артерии. Неговите клонове са задните церебрални артерии. Изброените три двойки артерии (предна, средна, задна), анастомозиращи една с друга, образуват артериалния (Уилизиев) кръг. За да направите това, предните церебрални артерии са свързани помежду си чрез предната свързваща артерия (lat. a. communicans anterior) и между вътрешната каротидна (или понякога средна церебрална) и задната церебрални артерии, от всяка страна, има задна комуникираща артерия (lat. aa.communicans posterior). Липсата на анастомози между артериите става забележима с развитието съдова патология(инсулт), когато поради липса на порочен кръгкръвоснабдяването на засегнатата област се увеличава. Освен това са възможни многобройни структурни варианти (отворен кръг, нетипично разделение на съдове с образуване на трифуркация и други). Ако активността на невроните в един от отделите се увеличи, кръвоснабдяването на тази област също се увеличава. Регистрирайте промени във функционалната дейност отделни зониМозъкът се поддържа от неинвазивни невроизобразяващи методи като функционален магнитен резонанс и позитронно-емисионна томография.
Между кръвта и мозъчната тъкан има кръвно-мозъчна бариера, която осигурява селективна пропускливост на веществата, намиращи се в съдово легло, в церебралната тъкан. В някои области на мозъка тази бариера отсъства (хипоталамична област) или се различава от други части, което се дължи на наличието на специфични рецептори и невроендокринни образувания. Тази бариера предпазва мозъка от много видове инфекции. В същото време много лекарства, които са ефективни в други органи, не могат да проникнат в мозъка през бариерата.
С маса около 2% от обща масатялото, мозъкът на възрастен консумира 15% от обема на циркулиращата кръв, като използва 50% от глюкозата, произведена от черния дроб и навлизаща в кръвта.
Функции
Мозъчни части
Основни части на човешкия мозък
- Ромбоиден (заден) мозък
- отзад (всъщност отзад)
- мост (съдържа главно проекционни нервни влакна и групи от неврони, е междинна връзка в контрола на малкия мозък)
- малък мозък (състои се от червея и полукълба, на повърхността на малкия мозък нервни клеткиоформете коричка)
- отзад (всъщност отзад)
Кухината на ромбовидния мозък е IV вентрикул (в долната част има отвори, които го свързват с другите три вентрикула на мозъка, както и със субарахноидалното пространство).
- среден мозък
- кухина на средния мозък - церебрален акведукт (Акведукт на Силвий)
- мозъчни дръжки
- предният мозък се състои от диенцефалон и теленцефалон.
- междинен (чрез този раздел се превключва цялата информация, която идва от долните части на мозъка към мозъчните полукълба). Кухината на диенцефалона е третата камера.
- епиталамус
- каишка
- сива ивица
- хипоталамус (център на автономната нервна система)
- хипофизен инфундибулум
- епиталамус
- краен
- базални ганглии (стриатум)
- ограда
- "обонятелен мозък"
- обонятелна крушка (преминава през обонятелния нерв)
- обонятелен тракт
- кухина на теленцефалона - латерална (I и II вентрикули)
- базални ганглии (стриатум)
- междинен (чрез този раздел се превключва цялата информация, която идва от долните части на мозъка към мозъчните полукълба). Кухината на диенцефалона е третата камера.
Потокът от сигнали към и от мозъка е през гръбначния мозък, който контролира тялото, и през черепните нерви. Сензорните (или аферентни) сигнали пристигат от сетивните органи до подкоровите (т.е. предшестващи мозъчната кора) ядра, след това до таламуса и оттам до по-високия отдел - мозъчната кора.
Кората се състои от две полукълба, свързани със сноп нервни влакна - corpus callosum. Лявото полукълбо отговаря за дясна половинатяло, дясно - зад ляво. При хората дясното и лявото полукълбо имат различни функции.
Визуалните сигнали навлизат в зрителния кортекс (в тилния лоб), тактилните сигнали навлизат в соматосензорния кортекс (в париетален лоб), обонятелни - в обонятелния кортекс и др. В асоциативните области на кората се интегрират сензорни сигнали различни видове(модалности).
От една страна, има локализация на функциите в части на мозъка, от друга страна, всички те са свързани в една мрежа.
Пластмаса
Мозъкът има свойството пластичност. Ако един от неговите отдели е засегнат, други отдели след известно време могат да компенсират неговата функция. Пластичността на мозъка също играе роля при усвояването на нови умения.
Ембрионално развитие
Ембрионалното развитие на мозъка е един от ключовете за разбиране на неговата структура и функции.
Мозъкът се развива от ростралната част на невралната тръба. По-голямата част от мозъка (95%) е производно на птеригоидната пластина.
Ембриогенезата на мозъка преминава през няколко етапа.
- Етап на три мозъчни везикула - при хората, в началото на четвъртата седмица от вътрематочното развитие, ростралният край на невралната тръба образува три везикула: Prosencephalon (преден мозък), Mesencephalon (среден мозък), Rhombencephalon (мозък с форма на диамант или първичен заден мозък).
- Етап на пет мозъчни везикула - при хората, в началото на деветата седмица от вътрематочното развитие, Prosencephalon окончателно се разделя на Telencephalon (телецефалон) и Diencephalon (диенцефалон), Mesencephalon се запазва, а Rhombencephalon се разделя на Metencephalon (заден мозък) и Миеленцефалон (продълговат мозък).
По време на формирането на втория етап (от третата до седмата седмица на развитие) човешкият мозък придобива три завоя: среден мозък, цервикален и тротоар. Първо, средномозъчните и понтинните флексури се формират едновременно и в една посока, след това се образува цервикалната флексура в обратна посока. В резултат на това линейният мозък се "сгъва" на зигзаг.
По време на развитието на човешкия мозък може да се отбележи известно сходство между филогенезата и онтогенезата. В процеса на еволюция на животинския свят първо се формира теленцефалонът, а след това средният мозък. Предният мозък е еволюционно по-нова мозъчна формация. Също така в вътрематочно развитиеПри детето първо се формира задният мозък като най-еволюционно древната част от мозъка, а след това средният и след това предният мозък. След раждането с младенческа възрастПреди зряла възраст настъпва организационното усложнение на невронните връзки в мозъка.
Изследователски методи
Аблации
Един от най-старите методиИзследването на мозъка е техника, наречена аблации, която се състои в премахване на една част от мозъка и учените наблюдават промените, до които води такава операция.
Не всяка област на мозъка може да бъде отстранена, без да се убие организмът. По този начин много части от мозъчния ствол са отговорни за жизненоважни важни функции, като дишане, и поражението им може да причини незабавна смърт. Въпреки това увреждането на много части, въпреки че засяга жизнеспособността на тялото, не е фатално. Това, например, се отнася за областите на мозъчната кора. Голям инсулт причинява парализа или загуба на говор, но тялото продължава да живее. Вегетативно състояние, в което по-голямата част от мозъка е мъртва, може да се поддържа чрез изкуствено хранене.
Изследванията с помощта на аблации имат дълга история и в момента продължават. Ако учените от миналото премахнаха области от мозъка хирургически, тогава съвременните изследователи използват токсични вещества, селективно засягащи мозъчната тъкан (например клетки в определена област, но не и нервни влакна, преминаващи през нея).
След отстраняване на част от мозъка някои функции се губят, докато други се запазват. Например, котка, чийто мозък е дисектиран над таламуса, запазва много постурални реакции и гръбначни рефлекси. Животно, чийто мозък е дисектиран на нивото на мозъчния ствол (децеребрирано), поддържа тонуса на екстензорния мускул, но губи постуралните рефлекси.
Правят се наблюдения и на хора с поражения на мозъчните структури. Така случаите на огнестрелни рани в главата по време на Втората световна война предоставят богата информация на изследователите. Изследвания се провеждат и върху пациенти с инсулт и увреждане на мозъка поради травма.
Транскраниална магнитна стимулация
Транскраниалната магнитна стимулация е метод, който позволява неинвазивно стимулиране на кората на главния мозък с помощта на кратки магнитни импулси. TMS не е свързан с болезнени усещанияи следователно може да се използва като диагностична процедура при извънболнична обстановка. Магнитният импулс, генериран от TMS, е бързо променящо се във времето магнитно поле, което се произвежда около електромагнитна намотка, когато през нея протича ток. високо напрежениеслед разреждането на мощен кондензатор (магнитен стимулатор). Магнитните стимулатори, използвани днес в медицината, са способни да генерират магнитно поле с интензитет до 2 тесла, което позволява да се стимулират елементи от мозъчната кора на дълбочина до 2 см. В зависимост от конфигурацията на електромагнитната намотка , TMS може да активира зони от кората на главния мозък с различни размери, т.е. да бъде или 1) фокална, което прави възможно селективно стимулиране на малки области на кората, или 2) дифузна, което позволява едновременна стимулация различни отделикора.
При стимулиране на двигателната зона на мозъчната кора, TMS предизвиква свиване на определени периферни мускули в съответствие с тяхното топографско представяне в кората. Методът позволява да се оцени възбудимостта на двигателната система на мозъка, включително нейните възбудни и инхибиторни компоненти. TMS се използва при лечението на мозъчни заболявания като синдром на Алцхаймер, изследване на слепота, глухота, епилепсия и др.
Електрофизиология
Електрофизиолозите записват електрическата активност на мозъка - с помощта на тънки електроди, които позволяват да се записват разрядите на отделни неврони, или с помощта на електроенцефалография (техника за отстраняване на мозъчни потенциали от повърхността на главата).
Тънкият електрод може да бъде направен от метал (покрит с изолационен материал, показващ само острия връх) или стъкло. Стъкленият микроелектрод е тънка тръба, напълнена отвътре с физиологичен разтвор. Електродът може да бъде толкова тънък, че да проникне в клетката и да позволи записването на вътреклетъчни потенциали. Друг начин за записване на невронна активност, извънклетъчна -
"Уикипедия на мозъка"
срещу деменция психично заболяванеи мозъчни "катастрофи"
Професор Владимир Лазаревич Зелман, чуждестранен член на Руската академия на медицинските науки и Руската академия на науките, един от пионерите на невроанестезиологията, член на Международния академичен съвет на Новосибирск държавен университет, възпитаник на Новосибирския медицински институт, днес е един от тримата най-добри американски анестезиолози. Университетът на Южна Калифорния (Лос Анджелис, САЩ), където В. Л. Зелман ръководи Катедрата по анестезиология и реаниматология, е един от лидерите в областта на невронауките в Съединените щати и участва в редица големи проекти за изследване на мозъка, като като ЕНИГМА. В своята лекция в NSMU и в интервю за НАУКАТА от първа ръка, професор Зелман говори за най-интересните резултати, получени от университетски персонал в партньорство с колеги от други организации в една от най-горещите точки на пресечната точка на съвременната биология и медицина. Сред тях е генетична база данни развиващ се мозък, което ще ви позволи да оцените генетичните рискове от заболявания; карта на местоположението на всички неврони в мозъка и „окабеляването“, което ги свързва; неврокомпютърни технологии, които позволяват на „силата на мисълта“ да контролира бионичните протези
Първо малко статистика: според експертите до 2050 г. броят на хората в света, страдащи от деменция – придобита деменция – може да се увеличи почти три пъти и да достигне 132 млн. Най-честата форма на деменция е свързана с болестта на Алцхаймер – невродегенеративна заболяване, което се развива предимно в напреднала възраст. А забавянето на началото на заболяването само с 5 години (от 76 на 81 години) ще намали броя на заболелите наполовина!
И това е само един красноречив пример за важността на невронауките, участващи в изучаването на мозъка - физическата основа на нашето съзнание, подсъзнание и умствена дейност, един от най-сложните и най-мистериозни органи човешкото тяло. Механизмите на функциониране на мозъка не са напълно изяснени, въпреки че през последния четвърт век, благодарение на появата на нови изследователски технологии като ядрено-магнитен резонанс, електроенцефалография и други, стана известно повече за биологията на здравия и болния мозък, отколкото в цялата предишна история на неговото изследване. През последните десет години стана ясно, че поне 80% от известните към момента гени се експресират в една или друга степен в централната и периферната нервна система.
Инвестициите в неврологията в момента се оценяват на милиарди долари. Така през последното десетилетие на 20-ти век, обявено за „десетилетие на мозъка“, Конгресът на САЩ отпусна около $3 милиарда за изследвания в тази област.За сравнение: за изследване на човешкия геном едновременно бяха отпуснати около $3,7 милиарда време; символично е, че тези две най-важни научен проектвървеше успоредно.
Основан през 1880 г., Университетът на Южна Калифорния е най-старият частен изследователски университет в Калифорния. През последните години, според авторитетни рейтинги, той традиционно е включен в първите сто най-добрите университетимир. В момента в университета се обучават над 40 хиляди студенти. През 1994 г. университетският професор Д. Е. Олах получава Нобелова награда за химия
Университетът на Южна Калифорния е лидер в мозъчните изследвания през последните години не само в Съединените щати, но и по света, използвайки уникален мултидисциплинарен подход за съвместно разрешаване на мистериите на мозъчните заболявания по начини, които не са възможни в изолирани лаборатории.
Така от няколко години учените от Института по неврогенетика им. Университетът Зилка в Южна Калифорния провежда съвместни изследвания с група сътрудници от университета Йейл и Института за мозъка. Алън. Тяхната цел е да създадат пълна генетична база данни на развиващия се човешки мозък, което ще позволи оценката генетичен рискпоявата на различни мозъчни нарушения. Днес повече от 300 генетични локуса, свързани с патологията на централната нервна система, вече са идентифицирани; като цяло уникалният атлас на генната транскрипция на мозъка планира да представи данни за генна експресия за 15 области на мозъка в 13 възрастови категории. Днес тази база данни е най-голямата в света, а от 2011 г. е достъпна за всички заинтересовани потребители.
Университетът на Южна Калифорния инициира глобален проект за изследване на мозъка ЕНИГМА, който се ръководи от университетския професор П. Томпсън и се финансира от Националния здравен институт на САЩ. Днес около 200 математици, генетици, невробиолози и лекари от повече от 35 страни по света, включително Русия (от Новосибирския държавен университет, редица институти на СО РАН, Института по неврохирургия Н. Н. Бурденко, Института за предаване на информация на името на А. А. Харкевич и др.). Проектът провежда изследвания на структурите и функциите на мозъка и предразположението към заболявания като шизофрения, болест на Алцхаймер, депресия, наркомания и др. Основният фокус е върху идентифицирането на факторите, които причиняват или, обратно, предотвратяват дадено заболяване, като като начин на живот, хранителни навици и, разбира се, наследственост. Например, наскоро беше открит ген, който участва в развитието на затлъстяването чрез нарушения във функционирането на мозъчните структури.
Човешкият мозък съдържа около 100 милиарда специализирани нервни клетки - неврони, всяка от които има около 10 хиляди синапса, които служат за предаване нервен импулсмежду клетките. Различни областинашият мозък, отговорен за мисленето, възприятието и усещанията, е свързан с нервни влакна обща дължина 100 хиляди мили (161 хиляди км)
Най-важната част от проекта ЕНИГМАе Connectome– проект за изследване на проводната система на мозъка. Самото понятие „конектом“ е въведено по аналогия с понятието „геном“ за пълно описаниеструктури на връзките в нервната система. По време на проекта Connectomeще бъде създадена четириизмерна (четвъртото измерение е времето) карта на местоположението на всички неврони в мозъка и свързващите ги „проводници“, описващи всичките 100 трилиона възможни взаимодействиямежду клетките. Този проект, при който всички резултати от изображенията на мозъка ще бъдат комбинирани в една карта, може с право да се нарече „Уикипедия на мозъка“. В резултат на това ще бъде възможно да се установи променливостта и генетичната предопределеност на невроните, да се наблюдават техните взаимодействия в реално време и също така да се идентифицира наличието на невронни патологии.
Като всяка клетка, всеки тип неврон използва специфичен набор от гени, за да създаде своята молекулярна машина; Последователно взаимодействащите неврони образуват така наречените невронни вериги (най-простият пример е рефлексна дъга). Разбирането на всички нюанси на работата на невронните вериги също трябва да помогне за разбирането на патогенезата на мозъчните заболявания, което ще направи тяхната диагностика по-ефективна. В крайна сметка тогава ще бъде възможно да се разпознае патологични процесине само въз основа на симптомите, а търсене на болести буквално на ниво отделни синапси.
Днес са описани около дузина и половина разновидности на психични заболявания. Възможно е през следващото десетилетие, когато стане известно на какъв етап и на кое място се включват и изключват гени, които пренасочват синаптичната активност в „грешна“ посока, броят на идентифицираните заболявания да се увеличи с един или два порядъка величина. Лечението ще стане по-персонализирано и в случай ранна диагностикаще бъде възможно да се коригират такива „грешни“ процеси с пълна рехабилитациятърпелив.
В границите на проекта ЕНИГМАВече е събран огромен масив от генетични данни и данни за изображения на мозъка - около 50 хиляди визуализации на мозъка от 33 хиляди души от повече от три дузини страни по света! Събирането на такъв материал днес не е толкова трудно, но за дешифрирането и интерпретирането на тези огромни информационни потоци са необходими суперкомпютри и специалисти по работа с „големи“ данни – биоинформатици. Съвременната наука е фундаментално способна на такива задачи, така че е възможно в близко бъдеще всеки от нас да стане собственик на „флашка“, на която ще бъде записано декодирането не само на нашия геном, но и на самата ни личност.
Още днес изследванията на проводната система на мозъка предлагат надежда да направят живота по-лесен за пациенти със сериозно увреждане на мозъка в резултат на травма. Говорим за неврокомпютърна технология (т.нар. интерфейс мозък-компютър), която позволява на парализиран човек да управлява „със силата на мисълта“ бионични протези, например механична ръка.
Професор Зелман:„На 17 април 2012 г. за първи път оперирахме пациент с простреляна шийна прешлен, страдащ от тетраплегия - нарушена двигателна способност на четирите крайника. В мозъка на пациента са имплантирани специални електронни чипове, всеки от които има 96 сензора, разчитащи сигнали мозъчна дейност; Чрез антени тази информация се предава на компютър, който контролира работата на специално проектирана бионична ръка. В момента в САЩ по този начин са оперирани шестима пациенти. Тази работа е финансирана от Министерството на отбраната на САЩ."
Един от проблемите с такива мозъчно-компютърни технологии е изборът на мозъчни сигнали, които трябва да се използват за управление на бионични протези. Според редица изследователи е необходимо да се разчете активността на нервните клетки в моторната кора на главния мозък, която е пряко отговорна за движенията – в случая обратна връзкасе формират на нивото на самото действие. Но има и друг подход, при който предпочитание се дава не на самото действие, а на намерението за извършването му! Идеята за инсталиране на чипове в областта на медиалния кортекс, участваща в планирането на действията, принадлежи на колегата на Зелман, професор Р. Андерсън от Калифорнийския технологичен институт.
Ричард Андерсън е прекарал последните 25 години в изследване на мозъка в търсене на клъстери от неврони, чиято активност може да се използва за контролиране на движенията на изкуствен крайник. Той беше сигурен, че това не изисква информация за самото движение, тъй като всяко от тях беше осигурено в конектома от стотици хиляди невронни връзки, които бяха трудни за проследяване. В този смисъл самото намерение да се извърши това или онова действие е много по-обещаващо и Андерсън в крайна сметка открива в задната черепна ямка, до зрителни анализатори, района, където се образува.
И наистина, при останалите петима пациенти, на които чипът е имплантиран в областта на моторния кортекс, координацията се оказва много по-лоша, те пропускат по-често при движение, например при вдигане на кутия с сок. Но също голям проблеме, че досега всички подобни бионични крайници се използват само като част от експерименти, които рано или късно приключват. Чиповете, имплантирани в мозъка, се възприемат от последния като чуждо тяло и в крайна сметка се капсулират и губят връзка с невроните. Въпреки това, същността на тези работи е, че те показват фундаменталната възможност за улесняване на живота на напълно парализирани пациенти, използвайки интерфейс мозък-компютър.
...Връщайки се към болестта на Алцхаймер, нека припомним, че мозъкът здрави хорагуби по-малко от 1% от теглото си годишно, като тази загуба се компенсира от регенерацията на тъканите под въздействието на умствена дейност. Симптомите на болестта на Алцхаймер започват да се появяват, когато 10% от мозъчната тъкан е загубена и нормални условиятова е необратим процес. Към днешна дата обаче учените вече са открили 9 гена, които могат да ускорят и забавят развитието на това заболяване, включително Apoe4, който е водещият рисков фактор за тази най-често срещана форма сенилна деменция(вещества, способни да трансформират „агресивния“ Apoe4 протеин, кодиран от този ген в по-безопасна изоформа, вече се тестват върху животни).
Нещо повече: днес учени от Университета на Южна Калифорния, заедно с колегите си от университета Уейк Форест (Северна Каролина), работят върху „записване“ на информация, съхранявана в мозъка, благодарение на което мозъкът на човек, страдащ от болестта на Алцхаймер, може да бъдат „рестартирани“, връщайки, поне временно, изгубени спомени. Този резултат, който дори днес изглежда фантастичен, е само ясно доказателство за успехите, които съвременна наукапостигнато в изследването на мозъка – орган, който векове наред е смятан за подходящ само за функцията за охлаждане на кръвта!
Въпреки значителния напредък в изследването на мозъка през последните години, голяма част от работата му все още остава загадка. Функционирането на отделните клетки е сравнително добре обяснено, но разбирането как мозъкът функционира като цяло чрез взаимодействието на хиляди и милиони неврони е достъпно само в много опростена форма и изисква по-нататъшни задълбочени изследвания.
Енциклопедичен YouTube
1 / 5
✪ Мозък. Устройство и функции. Видео урок по биология 8 клас
✪ Как работи мозъкът
✪ Мозък
✪ Човешка анатомия. мозък.
✪ Урок по биология No45. Структурата и функциите на частите на мозъка.
субтитри
Мозъкът като орган на гръбначните животни
Мозъкът е основната част от централната нервна система. За наличието на мозък в строгия смисъл на думата можем да говорим само по отношение на гръбначните животни, като се започне от рибите. Въпреки това, този термин се използва донякъде свободно за обозначаване на подобни структури на високо организирани безгръбначни - например при насекомите "мозъкът" понякога се нарича натрупване на ганглии на окологлътъчния нервен пръстен. Когато описват по-примитивни организми, те говорят за главните ганглии, а не за мозъка.
Теглото на мозъка като процент от телесното тегло е 0,06-0,44% при съвременните хрущялни риби, 0,02-0,94% при костните риби, 0,29-0,36% при опашатите земноводни, 0,0 при безопашатите земноводни 50-0,73%. При бозайниците относителните размери на мозъка са много по-големи: при големите китоподобни 0,3%; при малки китоподобни - 1,7%; при примати 0,6-1,9%. При хората съотношението на мозъчната маса към телесната маса е средно 2%.
Мозъците на бозайниците от разредите китоподобни, хоботни и примати са най-големи по размер. За най-сложен и функционален мозък се смята този на Хомо сапиенс.
Мозъчна тъкан
Мозъкът е затворен в здрава черупка на черепа (с изключение на простите организми). Освен това е покрита с мембрани (лат. meninges) от съединителна тъкан - твърда (лат. dura mater) и мека (лат. pia mater), между които има съдова, или арахноидна (лат. arachnoidea) мембрана. Между мембраните и повърхността на главния и гръбначния мозък има цереброспинална (често наричана цереброспинална течност) течност - цереброспинална течност (лат. ликьор). Цереброспиналната течност също се съдържа в вентрикулите на мозъка. Излишъкът от тази течност се нарича хидроцефалия. Хидроцефалията може да бъде вродена (по-често) или придобита.
Мозъчни клетки
Досега се знаеше, че нервните клетки се възстановяват само при животни. Въпреки това учените наскоро откриха, че в частта от човешкия мозък, която отговаря за обонянието, зрелите неврони се образуват от клетки-предшественици. Един ден те може да са в състояние да помогнат за „поправянето“ на повреден мозък. Стволовите клетки, разположени в мозъка, спират да се делят, някои участъци от хромозомите се активират отново и започват да се формират специфични за невроните структури и връзки. От този момент нататък клетката може да се счита за пълноправен неврон. Към днешна дата са известни само 2 области на активен невронален растеж. Една от тях е зоната на паметта. Другата включва областта на мозъка, отговорна за движението. Това обяснява частичното и пълно възстановяване във времето на съответните функции след увреждане на тази област на мозъка.
Кръвоснабдяване
Функционирането на мозъчните неврони изисква значителен разход на енергия, която мозъкът получава чрез кръвоснабдителната мрежа. Мозъкът се кръвоснабдява от басейна на три големи артерии - две вътрешни каротидни артерии (lat. a. carotis interna) и главната артерия (lat. a. basilaris). В черепната кухина вътрешната каротидна артерия има продължение под формата на предна и средна церебрална артерия (лат. aa. cerebri anterior et media). Базиларната артерия е разположена на вентралната повърхност на мозъчния ствол и се образува от сливането на дясната и лявата вертебрална артерия. Неговите клонове са задните церебрални артерии. Изброените три двойки артерии (предна, средна, задна), анастомозиращи една с друга, образуват артериалния (Уилизиев) кръг. За да направите това, предните церебрални артерии са свързани помежду си чрез предната свързваща артерия (lat. a. communicans anterior), а между вътрешната каротидна (или понякога средна церебрална) и задната церебрална артерия от всяка страна има задна комуникираща артерия (lat. aa. communicans posterior). Липсата на анастомози между артериите става забележима с развитието на съдова патология (инсулти), когато поради липсата на затворен кръг на кръвоснабдяване засегнатата област се увеличава. Освен това са възможни многобройни структурни варианти (отворен кръг, нетипично разделение на съдове с образуване на трифуркация и др.). Ако активността на невроните в един от отделите се увеличи, кръвоснабдяването на тази област също се увеличава. Неинвазивните невроизобразяващи методи като функционален ядрено-магнитен резонанс и позитронно-емисионна томография позволяват да се регистрират промени във функционалната активност на отделни области на мозъка.
Между кръвта и мозъчната тъкан има кръвно-мозъчна бариера, която осигурява селективна пропускливост на веществата от съдовото русло в церебралната тъкан. В някои области на мозъка тази бариера отсъства (хипоталамична област) или се различава от други части, което се дължи на наличието на специфични рецептори и невроендокринни образувания. Тази бариера предпазва мозъка от много видове инфекции. В същото време много лекарства, които са ефективни в други органи, не могат да проникнат в мозъка през бариерата.
Функции
Мозъчните функции включват обработка на сензорна информация от сетивата, планиране, вземане на решения, координация, двигателен контрол, положителни и отрицателни емоции, внимание, памет. Човешкият мозък изпълнява по-висока функция- мислене. Една от функциите на човешкия мозък е възприемането и генерирането на реч.
Мозъчни части
Кората се състои от две полукълба, свързани със сноп нервни влакна - corpus callosum. Лявото полукълбо отговаря за дясната половина на тялото, дясното - за лявата. При хората дясното и лявото полукълбо имат различни функции.
Визуалните сигнали навлизат в зрителната кора (в тилната част на мозъка), тактилните сигнали навлизат в соматосензорната кора (теменния лоб), обонятелните сигнали навлизат в обонятелната кора и т.н. В асоциативните области на кората се подават сензорни сигнали от различни видове (модалности интегриран.
От една страна, има локализация на функциите в части на мозъка, от друга страна, всички те са свързани в една мрежа.
Пластмаса
Мозъкът има свойството пластичност. Ако един от неговите отдели е засегнат, други отдели след известно време могат да компенсират неговата функция. Пластичността на мозъка също играе роля при усвояването на нови умения.
Ембрионално развитие
Ембрионалното развитие на мозъка е един от ключовете за разбиране на неговата структура и функции.
Мозъкът се развива от ростралната част на невралната тръба. По-голямата част от мозъка (95%) произлиза от птеригоидната пластина.
Ембриогенезата на мозъка преминава през няколко етапа.
- Етап на три мозъчни везикула - при хората, в началото на четвъртата седмица от вътрематочното развитие, ростралният край на невралната тръба образува три везикула: Prosencephalon (преден мозък), Mesencephalon (среден мозък), Rhombencephalon (мозък с форма на диамант или първичен заден мозък).
- Етап на пет мозъчни везикула - при хората, в началото на деветата седмица от вътрематочното развитие, Prosencephalon накрая се разделя на Telencephalon (краен мозък) и Diencephalon (среден мозък), Mesencephalon се запазва, а Rhombencephalon се разделя на Metencephalon (заден мозък) и Миеленцефалон (продълговат мозък).
По време на формирането на втория етап (от третата до седмата седмица на развитие) човешкият мозък придобива три завоя: среден мозък, цервикален и тротоар. Първо, средномозъчните и понтинните флексури се формират едновременно и в една посока, след това се образува цервикалната флексура в обратна посока. В резултат на това линейният мозък се "сгъва" на зигзаг.
По време на развитието на човешкия мозък може да се отбележи известно сходство между филогенезата и онтогенезата. В процеса на еволюция на животинския свят първо се формира теленцефалонът, а след това средният мозък. Предният мозък е еволюционно по-нова мозъчна формация. Освен това по време на вътреутробното развитие на детето първо се формира задният мозък като най-еволюционно древната част от мозъка, а след това средният и след това предният мозък. След раждането, от ранна детска възраст до зряла възраст, възниква организационно усложнение на невронните връзки в мозъка.
Изследователски методи
Аблации
Един от най-старите методи за изследване на мозъка е техниката на аблация, която се състои в отстраняване на една от частите на мозъка и учените наблюдават промените, до които води такава операция.
Не всяка област на мозъка може да бъде отстранена, без да се убие организмът. По този начин много части от мозъчния ствол са отговорни за жизненоважни функции, като дишане, и увреждането им може да причини незабавна смърт. Въпреки това увреждането на много части, въпреки че засяга жизнеспособността на тялото, не е фатално. Това, например, се отнася за областите на мозъчната кора. Голям инсулт причинява парализа или загуба на говор, но тялото продължава да живее. Вегетативно състояние, в което по-голямата част от мозъка е мъртва, може да се поддържа чрез изкуствено хранене.
Изследванията с помощта на аблации имат дълга история и в момента продължават. Ако учените от миналото са премахвали области от мозъка хирургически, съвременните изследователи използват токсични вещества, които селективно увреждат мозъчната тъкан (например клетките в определена област, но не и нервните влакна, преминаващи през нея).
След отстраняване на част от мозъка някои функции се губят, докато други се запазват. Например, котка, чийто мозък е дисектиран над таламуса, запазва много постурални реакции и гръбначни рефлекси. Животно, чийто мозък е дисектиран на нивото на мозъчния ствол (децеребрирано), поддържа тонуса на екстензорния мускул, но губи постуралните рефлекси.
Правят се наблюдения и на хора с поражения на мозъчните структури. Така случаите на огнестрелни рани в главата по време на Втората световна война предоставят богата информация на изследователите. Изследвания се провеждат и върху пациенти с инсулт и увреждане на мозъка поради травма.
Транскраниална магнитна стимулация
В някои случаи тънки електроди (от един до няколкостотин) се имплантират в мозъка и изследователите записват активност за продължителен период от време. В други случаи електродът се вкарва в мозъка само за времетраенето на експеримента и се отстранява в края на записа.
С помощта на тънък електрод можете да записвате както активността на отделните неврони, така и местните полеви потенциали, произтичащи от активността на много стотици неврони. Използвайки ЕЕГ електроди, както и повърхностни електроди, поставени директно върху мозъка, е възможно да се регистрира само глобалната активност на голям брой неврони. Смята се, че записаната по този начин активност се състои както от невронни потенциали за действие (т.е. невронни импулси), така и от подпрагови деполяризации и хиперполяризации.
Когато се анализират мозъчните потенциали, често се извършва техният спектрален анализ, като различните компоненти на спектъра имат различни имена: делта (0,5-4 Hz), тета 1 (4-6 Hz), тета 2 (6-8 Hz), алфа (8-13 Hz), бета 1 (13-20 Hz), бета 2 (20 -40 Hz), гама вълни (включва честотата на бета 2 ритми и по-висока).
Електрическа стимулация
Един от методите за изследване на мозъчната функция е електрическата стимулация на определени области. С помощта на този метод например е изследван „моторният хомункулус” – показано е, че чрез стимулиране на определени точки в моторния кортекс е възможно да се предизвика движение на ръцете, стимулиране на други точки – движенията на краката и т.н. Така получената карта е наречен хомункулус. Различните части на тялото са представени от области на мозъчната кора, които се различават по размер. Следователно хомункулусът има голямо лице, палци и длани, но малък торс и крака.
Ако стимулирате сетивните области на мозъка, можете да предизвикате усещания. Това е показано както при хора (в известните експерименти на Пенфийлд), така и при животни.
Електростимулацията се използва и в медицината – от електрошока, показан в много филми за ужасите на психиатричните клиники, до стимулирането на структури дълбоко в мозъка, превърнало се в популярен метод за лечение на болестта на Паркинсон.
Други техники
Рентгеновите CT и MRI се използват за изследване на анатомичните структури на мозъка. Използвани също в анатомични и функционални изследвания на мозъка са PET, еднофотонна емисионна компютърна томография (SPECT) и функционален MRI. Чрез метода е възможно да се визуализират мозъчни структури ултразвукова диагностика(ултразвук) при наличие на ултразвуков „прозорец“ - дефект в черепните кости, например голям фонтанел при малки деца.
Лезии и заболявания
Изследването и лечението на мозъчни лезии и заболявания попада в обхвата на биологията и медицината (неврофизиология, неврология, неврохирургия, психиатрия и психология).
Възпаление менингинаречен менингит (съответства на три мембрани - пахименингит, лептоменингит и арахноидит).
Теглото на мозъка на възрастен е средно една петдесета от общото телесно тегло. В този случай човешкият мозък консумира една пета от циркулиращата кръв (т.е. една пета от кислорода), една пета от глюкозата, влизаща в тялото.
Средното тегло на мозъка на различни живи същества е дадено в таблицата.
|
