Ода мозку

Всупереч загальній впевненості, мозочок потрібен не тільки для координації рухів тіла. В останні роки стало ясно, що цей відділ мозку, в якому зосереджено більше половини його нейронів, може брати участь у реалізації навіть вищих функцій, граючи роль «графічного процесора».

Чому мозочок схожий на графічний процесор? І чи допоможе ця схожість вирішити загадку того, для саме чого він потрібен?

Мозочок прийнято недооцінювати. Століттями на нього дивилися як на «придаток», якому відводяться прості завдання координації рухів, - і не більше того. Вчені минулого, витягуючи мозок з піддослідних тварин, нерідко залишали мозочок на місці, як щось зайве або неважливе. І пізніше, при проведенні досліджень у томографі, на нього звертали увагу далеко не завжди.

Ситуація змінилася лише в останні десятиліття, настільки недавно, що далеко не всі підручники встигли відобразити ці зміни. З'явилося достатньо свідчень, які вказують на участь мозочка в навчанні, в обробці складної сенсорної інформації і навіть у вищих когнітивних процесах. Але в чому саме полягає ця участь і які різноманітні функції мозку? Тут питань більше, ніж відповідей.

Запитання з історії

Ключові роботи з вивчення цього відділу мозку були проведені ще в першій половині XIX ст. Марі-Жан-П'єром Флурансом. Видаляючи мозочок у голубів, французький фізіолог виявив, що птахи втрачають баланс і координацію рухів, переміщаючись безглуздо, немов сильно випили. Саме він припустив, що завдання мозку полягає в точному контролі за моторикою, і ці уявлення залишилися з нами майже на два століття.

Не можна сказати, щоб сумнівів не було. Медики і вчені, які працювали з пацієнтами з ушкодженнями мозку, відзначали, що такі люди демонструють симптоми, що виходять далеко за рамки неузгоджених рухів (атаксії). Вони можуть виявляти емоційну нестійкість, порушення мови та навчання, недоречну поведінку, втрачати здатність до читання та письма. Підсумок цих спостережень підвели знакові роботи американця Джеремі Шахманна (Jeremy Schmahmann), який вивчив величезний масив даних, накопичених в цій області починаючи з XIX століття, і в кінці 1990-х дав повний опис мозжечкового когнітивного афективного синдрому, що включає і такі порушення як зміни особистості.

Поставлені потім експерименти показали, що через ствол мозку мозок утворює великі зв'язки з корою великих півкуль, отримуючи інформацію з відділів, що виконують найрізноманітніші функції, далеко не тільки моторні. А команда нейрофізіолога Пітера Стріка (Peter Strick) знайшла і сигнальні шляхи, що ведуть у зворотному напрямку. Ці зв'язки тягнуться від мозку до таламусу, структурі мозку, куди сходиться інформація від органів почуттів і де відбувається регуляція уваги.

За допомогою флуоресцентних міток, які підсвічували нейрони, коли ті проявляють активність, було продемонстровано, що відповідні ділянки кори півкуль і самого мозочка дійсно спрацьовують скоординовано один з одним. Серед цих відділів - навіть вентральна область покришки, яка відіграє основну роль у роботі «системи внутрішньої винагороди». Виникає питання: якщо мова тільки про моторну функцію, то навіщо ці шляхи і чому медики помічають подібні симптоми?

Мозочок і стовбур мозку, пофарбовані за допомогою флуоресцентних білків

Запитання від медицини

Багато з характерних проявів синдрому Шахманна досить близькі до симптомів аутизму і шизофренії. У хворих з такими діагнозами дійсно нерідко виявляються анатомічні аномалії або пошкодження мозочка. А порушення його формування в дитинстві підвищує шанси розвитку аутизму. На зв'язок між ними вказали експерименти з лабораторними мишами, у яких штучно придушили зв'язки між мозочком і іншими відділами мозку.

Такі тварини, крім порушених рухів, дійсно демонстрували «аутичну» поведінку. Наприклад, цікавилися неживими предметами не менше, ніж власними побратимами, що в нормі їм абсолютно невластиво. А за допомогою мишей спеціальної ГМ-лінії, що служать моделлю аутизму, було продемонстровано і зворотну дію. Стимуляція мозочка за допомогою мікроелектродів знижувала їх звичайну асоціальність.

Вже недавно - в 2019 р. - Шахманн використовував для цього людей-добровольців і неінвазивний метод транскраніальної магнітної стимуляції. Виявилося, що такий вплив на мозочок може знімати багато «негативних» симптомів шизофренії - такі як втрата здатності отримувати задоволення, мотивації тощо. Вчені розглядають таку стимуляцію як можливий засіб лікування цих симптомів, які, на відміну від «позитивних» (галюцинацій, гіпервізу тощо) не піддаються звичайній терапії за допомогою антипсихотиків. Але як все це можливо, якщо мозочок зайнятий виключно моторними функціями?

Питання з анатомії

Мозочок розташований під потиличними частками великих півкуль, з'єднуючись з варолієвим мостом стовбура мозку - «хабом», через який відбувається обмін інформацією між головним і спинним мозком. Як і видно з його назви, мозочок дійсно нагадує крихітний мозок розмірами з пару дитячих кулачків - з півкулями приблизно по 6 х 5 х 5 см, які з'єднуються структурою, що нагадує товстого черв'яка - хробаком мозжечка. У центрі кожної півкулі розташовані кілька десятків крихітних ядер сірої речовини, вони покриті складчастою корою.

Як і у «великого» мозку, кора мозочка утворює безліч складок. Але у нього вони не такі глибокі і звивисті, складаються майже рівною гармошкою. Це дозволяє щільно упакувати величезну за площею кору - майже плоский шар нервової тканини - в невеликий об'єм. Якщо вирівняти всі складки мозку людини, її поверхня витягнеться 5-сантиметровою стрічкою довжиною близько метра. У результаті на мозочок припадає лише 10 відсотків головного мозку, але більше половини всіх його нейронів.

Взагалі, розвиток мозку, як правило, тісно корелює з розвитком інших відділів мозку. Дещо спрощуючи, можна сказати, що у людей він найбільший серед приматів, у приматів - найбільший серед ссавців, а у ссавців - найбільший серед тварин, якщо перерахувати на розмір тіла. Показано, що в мозочку в середньому в 3,6 разів більше нервових клітин, ніж у корі великих півкуль того ж мозку. Виникає питання: невже все це багатство потрібно лише за тим, щоб додатково контролювати рухи? Люди явно не відрізняються особливо видатними моторними здібностями на тлі багатьох інших тварин.