Двигательный гомункулус. Кора мозга. Сканер для мозга работает на позитронах

Содержание

Кора головного мозга: функции и особенности строения

Двигательный гомункулус. Кора мозга. Сканер для мозга работает на позитронах

Кора головного мозга является центром высшей нервной (психической) деятельности человека и контролирует выполнение огромного количества жизненно важных функций и процессов. Она покрывает всю поверхность больших полушарий и занимает около половины их объема.

Роль коры больших полушарий

Большие полушария головного мозга занимают около 80% объема черепной коробки, и состоят из белого вещества, основа которого состоит из длинных миелиновых аксонов нейронов. Снаружи полушария покрывает серое вещество или кора головного мозга, состоящая из нейронов, безмиелиновых волокон и глиальных клеток, которые также содержатся в толще отделов этого органа.

Поверхность полушарий условно делится на несколько зон, функциональность которых заключается в управлении организмом на уровне рефлексов и инстинктов.

Также в ней находятся центры высшей психической деятельности человека, обеспечивающие сознание, усвоение поступившей информации, позволяющей адаптироваться в окружающей среде, и через нее, на уровне подсознания, посредством гипоталамуса контролируется вегетативная нервная система (ВНС), управляющая органами кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения, размножения, а также метаболизмом.

Для того чтобы разобраться что такое кора мозга и каким образом осуществляется ее работа, требуется изучить строение на клеточном уровне.

Функции

Кора занимает большую часть больших полушарий, а ее толщина не равномерна по всей поверхности. Такая особенность обусловлена большим количеством связующих каналов с центральной нервной системой (ЦНС), обеспечивающих функциональную организацию коры мозга.

Эта часть головного мозга начинает образовываться еще во время внутриутробного развития и совершенствуется на протяжении всей жизни, посредством получения и обработки сигналов, поступающих из окружающей среды. Таким образом, она отвечает за выполнение следующих функций головного мозга:

  • связывает органы и системы организма между собой и окружающей средой, а также обеспечивает адекватную реакцию на изменения;
  • обрабатывает поступившую информацию от моторных центров с помощью мыслительных и познавательных процессов;
  • в ней формируется сознание, мышление, а также реализовывается интеллектуальный труд;
  • осуществляет управление речевыми центрами и процессами, характеризующими психоэмоциональное состояние человека.

При этом данные поступают, обрабатываются, сохраняются благодаря значительному количеству импульсов, проходящих и образующихся в нейронах, связанных длинными отростками или аксонами.

Уровень активности клеток можно определить по физиологическому и психическому состоянию организма и описать с помощью амплитудных и частотных показателей, так как природа этих сигналов похожа на электрические импульсы, а их плотность зависит от участка, в котором происходит психологический процесс.

До сих пор неясно, каким образом лобная часть коры больших полушарий влияет на работу организма, но известно, что она мало восприимчива к процессам, происходящим во внешней среде, поэтому все опыты с воздействием электрических импульсов на этот участок мозга, не находят яркого отклика в структурах.

Однако отмечается, что люди, у которых лобная часть повреждена, испытывают проблемы в общении с другими индивидами, не могут реализовать себя в какой-либо трудовой деятельности, а также им безразличен их внешний вид и сторонние мнение.

Иногда встречаются и другие нарушения в осуществлении функций этого органа:

  • отсутствие концентрации внимания на предметах обихода;
  • проявление творческой дисфункции;
  • нарушения психоэмоционального состояния человека.

Поверхность коры полушарий поделена на 4 зоны, очерченные наиболее четкими и значимыми извилинами. Каждая из частей при этом контролирует основные функции коры головного мозга:

  1. теменная зона — отвечает за активную чувствительность и музыкальное восприятие;
  2. в затылочной части расположена первичная зрительная область;
  3. височная или темпоральная отвечает за речевые центры и восприятие звуков поступивших из внешней среды, кроме того участвует в формировании эмоциональных проявлений, таких как радость, злость, удовольствие и страх;
  4. лобная зона управляет двигательной и психической активностью, а также руководит речевой моторикой.

Особенности строения коры мозга

Анатомическое строение коры больших полушарий обусловливает ее особенности и позволяет выполнять возложенные на нее функции. Кора головного мозга владеет следующим рядом отличительных черт:

  • нейроны в ее толще располагаются послойно;
  • нервные центры находятся в конкретном месте и отвечают за деятельность определенного участка организма;
  • уровень активности коры зависит от влияния ее подкорковых структур;
  • она имеет связи со всеми нижележащими структурами центральной нервной системы;
  • наличие полей разных по клеточному строению, что подтверждается гистологическим исследованием, при этом каждое поле отвечает за выполнение какой-либо высшей нервно деятельности;
  • присутствие специализированных ассоциативных областей позволяет устанавливать причинно-следственную связь между внешними раздражителями и ответом организма на них;
  • способность к замещению поврежденных участков близлежащими структурами;
  • этот отдел мозга способен сохранять следы возбуждения нейронов.

Большие полушария головного мозга состоят главным образом из длинных аксонов, а также содержит в своей толще скопления нейронов, образующих наибольшие ядра основания, которые входят в состав экстрапирамидальной системы.

Как уже говорилось, формирование коры мозга происходит еще во время внутриутробного развития, причем вначале кора состоит из нижнего слоя клеток, а уже в 6 месяцев ребенка в ней сформированы все структуры и поля. Окончательное становление нейронов происходит к 7-летнему возрасту, а рост их тел завершается в 18 лет.

Интересен тот факт, что толщина коры не равномерна на всей протяженности и включает в себя разное количество слоев: например, в области центральной извилины она достигает своего максимального размера и насчитывает все 6 слоев, а участки старой и древней коры имеют 2-х и 3-х слойное строение соответственно.

Нейроны этой части мозга запрограммированы на восстановление поврежденного участка посредством синоптических контактов, таким образом каждая из клеток активно старается восстановить поврежденные связи, что обеспечивает пластичность нейронных корковых сетей.

Например, при удалении или дисфункции мозжечка, нейроны, связывающие его с конечным отделом, начинают прорастать в кору больших полушарий.

Кроме того пластичность коры также проявляется в обычных условиях, когда происходит процесс обучения новому навыку или в результате патологии, когда функции, выполняемые поврежденной зоной, переходят на соседние участки мозга или даже полушария.

Кора мозга обладает способностью сохранять следы возбуждения нейронов длительное время. Эта особенность позволяет обучаться, запоминать и отвечать определенной реакцией организма на внешние раздражители.

Так происходит формирование условного рефлекса, нервный путь которого состоит из 3 последовательно соединенных аппарата: анализатора, замыкательного аппарата условно-рефлексных связей и рабочего прибора.

Слабость замыкательной функции коры и следовых проявлений можно наблюдать у детей с выраженной умственной отсталостью, когда образовавшиеся условные связи между нейронами хрупки и ненадежны, что влечет за собой трудности в обучении.

Кора головного мозга включает в себя 11 областей, состоящих из 53 полей, каждому из которых в нейрофизиологии присвоен свой номер.

Области и зоны коры

Кора относительно молодая часть ЦНС, развывшаяся из конечного отдела мозга. Эволюционно становление этого органа происходило поэтапно, поэтому ее принято разделять на 4 типа:

  1. Архикортекс или древняя кора в связи с атрофией обоняния превратился в гиппокамповую формацию и состоит из гиппокампа и сопряженных ему структур. С помощью ее регулируется поведение, чувства и память.
  2. Палеокортекс или старая кора, составляет основную часть обонятельной зоны.
  3. Неокортекс или новая кора имеет толщину слоя около 3—4 мм. Является функциональной частью и совершает высшую нервную деятельность: обрабатывает сенсорную информацию, отдает моторные команды, а также в ней формируется осознанное мышление и речь человека.
  4. Мезокортекс является промежуточным вариантом первых 3 типов коры.

Физиология коры больших полушарий

Кора головного мозга имеет сложную анатомическую структуру и включает в себя сенсорные клетки, моторные нейроны и интернероны, обладающих способностью останавливать сигнал и возбуждаться в зависимости от поступивших данных. Организация этой части мозга построена по колончатому принципу, в котором колонки делаться на микромодули, имеющие однородное строение.

Основу системы микромодулей составляют звездчатые клетки и их аксоны, при этом все нейроны одинаково реагируют на поступивший афферентный импульс и посылают также синхронно в ответ эфферентный сигнал.

Формирование условных рефлексов, обеспечивающих полноценное функционирование организма, и происходит благодаря связи головного мозга с нейронами, расположенными в различных частях тела, а кора обеспечивает синхронизацию умственной деятельности с моторикой органов и областью, отвечающей за анализ поступающих сигналов.

Передача сигнала в горизонтальном направлении происходит через поперечные волокна, находящиеся в толще коры, и передают импульс от одной колонки к другой. По принципу горизонтальной ориентации кору мозга можно поделить на следующие области:

  • ассоциативная;
  • сенсорная (чувствительная);
  • моторная.

При изучении этих зон применялись различные способы воздействия на нейроны, входящие в ее состав: химическое и физическое раздражение, частичное удаление участков, а также выработка условных рефлексов и регистрация биотоков.

Ассоциативная зона связывает поступившую сенсорную информацию с полученными ранее знаниями. После обработки формирует сигнал и передает его в двигательную зону. Таким образом она участвует в запоминании, мышлении и обучении новым навыкам. Ассоциативные участки коры головного мозга расположены в близости с соответствующей сенсорной зоной.

Чувствительная или сенсорная зона занимает 20% коры головного мозга. Она также состоит из нескольких составляющих:

  • соматосенсорной, расположенной в теменной зоне отвечает за тактильную и вегетативную чувствительность;
  • зрительной;
  • слуховой;
  • вкусовой;
  • обонятельной.

Импульсы от конечностей и органов осязания левой стороны тела, поступают по афферентным путям в противоположную долю больших полушарий для последующей обработки.

Нейроны моторной зоны возбуждаются при помощи импульсов, поступивших от клеток мускулатуры, и находятся в центральной извилине лобной доли. Механизм поступления данных схож с механизмом сенсорной зоны, так как двигательные пути образуют перехлест в продолговатом мозге и следуют в расположенную напротив моторную зону.

Извилины борозды и щели

Кора больших полушарий образована несколькими слоями нейронов. Характерной особенностью этой части мозга является большое количество морщин или извилин, благодаря чему ее площадь во много раз превосходит площадь поверхности полушарий.

Корковые архитектонические поля определяют функциональное строение участков коры головного мозга. Все они различны по морфологическим признакам и регулируют разные функции. Таким образом выделяется 52 различных поля, расположенных на определенных участках. По Бродману это разделение выглядит следующим образом:

  1. Центральная борозда разделяет лобную долю от теменной области, впереди нее пролегает предцентральная извилина, а сзади — позадицентральная.
  2. Боковая борозда отгораживает теменную зону от затылочной. Если развести ее боковые края то внутри можно рассмотреть ямку, в центре которой имеется островок.
  3. Теменно-затылочная борозда отделяет теменную долю от затылочной.

В предцентральной извилине расположено ядро двигательного анализатора, при этом к мышцам нижней конечности относятся верхние части передней центральной извилины, а к мышцам полости рта, глотки и гортани – нижние.

Правосторонняя извилина образует связь с двигательным аппаратом левой половины тела, левосторонняя – с правой частью.

В позадицентральной извилине 1 доли полушария содержится ядро анализатора тактильных ощущений и она также связана с противолежащей частью тела.

Клеточные слои

Кора головного мозга осуществляет свои функции посредством нейронов, находящихся в ее толще. Причем количество слоев этих клеток может отличаться в зависимости от участка, габариты которых также разнятся по размеру и топографии. Специалисты выделяют следующие слои коры головного мозга:

  1. Поверхностный молекулярный сформирован в основном из дендритов, с небольшим вкраплением нейронов, отростки которых не покидают границы слоя.
  2. Наружный зернистый состоит из пирамидальных и звездчатых нейронов, отростки которых связывают его со следующим слоем.
  3. Пирамидальный образован пирамидными нейронами, аксоны которых направлены вниз, где обрываются или образуют ассоциативные волокна, а дендриты их соединяют этот слой с предыдущим.
  4. Внутренний зернистый слой сформирован звездчатыми и малыми пирамидальными нейронами, дендриты которых уходят в пирамидальный слой, а также его длинные волокна уходят в верхние слои или спускаются вниз в белое вещество мозга.
  5. Ганглионарный состоит из крупных пирамидальных нейроцитов, их аксоны выходят за пределы коры и связывают различные структуры и отделы ЦНС между собой.

Мультиформный слой сформирован всеми видами нейронов, а их дендриты ориентированы в молекулярный слой, а аксоны пронизывают предыдущие слои или выходят за пределы коры и образуют ассоциативные волокна, образующие связь клеток серого вещества с остальными функциональными центрами головного мозга.

: Кора больших полушарий головного мозга



Источник: https://GolovaiMozg.ru/stroenie/kora-golovnogo-mozga-funktsii-stroenie

Строение и функции коры головного мозга

Двигательный гомункулус. Кора мозга. Сканер для мозга работает на позитронах

Кора полушарий образована из серого вещества, покрывает глубокие области головного мозга, сформированные из нервных миелиновых волокон белого цвета.

Кора мозга имеет серый оттенок – его придают нейроны и капилляры системы кровотока. Толщина слоя коры местами достигает 4,5 мм. Минимальная толщина – 1,3 мм.

Функции коры связаны с регуляцией психической деятельности, которая является отражением рефлекторной реакции головного мозга на внешние раздражители.

Психика – функция мозга, обусловленная взаимодействием организма и внешнего мира.

Физиология психики строится на формировании нервных связей (условных рефлексов), которые носят временный характер и управляются центрами, расположенными в коре больших полушарий.

Условные рефлексы формируются на основе безусловных под контролем высших отделов головного мозга, к которым относятся кора больших полушарий, гипофиз, гипоталамус, таламус.

Структура коры головного мозга

Условия окружающей среды постоянно меняются.

Чем быстрее и пластичнее реакция мозговых структур на внешние изменения, тем проще человек приспосабливается к действительности, быстрее добивается личностного роста и успеха.

Отделы коры полушарий большого мозга ответственны за образование системы условно-рефлекторных связей, которая является следствием и отражением жизненного опыта. Система получила название двигательного стереотипа.

На основе двигательного стереотипа формируются индивидуальные привычки и навыки – походка, манера говорить, пластика, жестикуляция, осанка, почерк.

Научившись однажды кататься на велосипеде, человек впоследствии не задумывается о последовательности движений, выполняя их автоматически.

Внешне строение коры напоминает грецкий орех, потому что поверхность большого мозга испещрена изогнутыми бороздами – извилинами.

Основной признак, который характеризует кору – извилистость, благодаря чему головной мозг человека вмещает многие миллиарды нейронов, независимо от того, какие объемы занимает сам орган. Благодаря углублениям борозд расширяется общая площадь корковой поверхности. Морфологическое строение коры обусловлено клетками, из которых складывается эта область головного мозга.

Серое вещество построено из нейронов, глиальных клеток (протоплазматических астроцитов), отростков нейронов – дендритов и аксонов, отростков глиальных клеток. Взаимодействие между нейронами происходит при помощи отростков.

Отростки двигательных нейронов достигают длины больше 1 метра. Один нейрон может контактировать с 10 тысячами других нейронов, обеспечивая взаимодействие в работе органов и систем.

Нейроны коры больших полушарий работают синхронно, выполняя функции:

  1. Восприятие информации из внешнего мира.
  2. Обработка и анализ поступающих данных.
  3. Формирование новой информации на основе полученных результатов.
  4. Сознание, самосознание, развитие личности.

Кора – наименее древняя часть мозга, появившаяся позднее всех других отделов. Для коры, как и для других областей большого мозга, свойственна высокая скорость метаболических и окислительных процессов.

Доля коры, покрывающей большие полушария, в структуре общего веса тела составляет 2%, но эта зона, находящаяся в головном мозге, потребляет наибольший объем кислорода, попадающего в организм – 18% (3-5 мл/мин).

Чтобы получить представление о строении коры, нужно учитывать, что она состоит из слоев и делит большие полушария на доли.

Несмотря на четкое разграничение функций долей, они работают скоординировано и взаимосвязано. Гетеромодальные участки получают информацию их нескольких сенсорных или ассоциативных зон. Гетеромодальные участки интегрируют сенсорные сигналы, обусловленные варианты моторной активности и другие импульсы в инстинктивные модели поведения и приобретенные навыки.

Лобная доля

Самый большой по площади участок коры – это лобные доли, расположенные во фронтальной части больших полушарий.

Чтобы обозначить все функции лобной доли, нужно вспомнить из каких частей она состоит: префронтальной (медиальная, дорсолатеральная, орбитофронтальная зоны) и медиобазальной.

Передняя доля коры, покрывающей головной мозг, отвечает за планирование, когнитивные способности, произвольные движения, определяет целенаправленное поведение. Регулирует речевую функцию, управляет центром рабочей памяти – информацией, поступившей недавно.

Теменная доля

Теменная доля состоит из отделов: соматосенсорного, заднебокового, среднетеменного, субдоминантного.

Визуально-пространственное восприятие (понимание траектории движения), особенности положения и перемещения объекта относительно ориентира, взаимосвязи объектов в рамках трехмерного пространства контролируются теменной областью коры, расположенной поверх глубоких слоев головного мозга человека.

Затылочная доля

Функции и задачи затылочной доли включают восприятие визуальной, зрительной информации. Управляет органами зрения – взаимосвязанным движением глаз, аккомодацией, изменением диаметра зрачков. Поражение этого участка мозга приводит к зрительной агнозии – состояние, при котором человек не различает знакомые предметы, ориентируясь по зрительным образам.

Височная доля

Височная доля управляет слуховой функцией, восприятием речевой информации, памятью, основанной на вербальных и зрительных ощущениях, эмоциями, одновременно согласовывая полученные данные с другими отделами коры, покрывающей большие полушария. Регулирует деятельность статокинетических и вкусовых анализаторов.

Островковая доля

Получает, адаптирует и реагирует на импульсы вегетативного и сенсорного типа, которые поступают от систем жизнедеятельности и внутренних органов. Задействуется в управлении речевой функцией, взаимодействует с рецепторами, отвечающими за болевые и температурные ощущения.

Функции коры, покрывающей головной мозг

Чтобы понять, каково значение коры, нужно разобраться, что это такое, где она расположена в головном мозге и за что отвечает. При участии корковых мозговых структур происходит освоение новых движений и совершенствование привычных физических навыков, любая осмысленная и бессознательная деятельность. функция коры, находящейся в головном мозге – поддержание процесса гомеостаза.

Гомеостаз – способность организма к саморегуляции, умение сохранять постоянство внутреннего состояния и преодолевать негативные воздействия, направленные из внешней среды.

Отделы коры, покрывающей глубокие слои головного мозга, координируют все физиологические процессы, протекающие в организме.

Благодаря многослойному, тонко организованному строению, кора, расположенная в головном мозге, выполняет функции:

  • Поддерживает равновесие внутреннего состояния при взаимодействии с внешней средой.
  • Реагирует на малейшие импульсы, сигнализирующие об изменениях внутри организма при проникновении токсических, инородных веществ.
  • Регулирует все физиологические процессы, в том числе работу систем кровообращения и дыхания.

Управление органами, системами и процессами происходит посредством возбуждения и торможения нейронов. При этом поддерживается баланс состояний. Если в одной из функциональных зон коры возникает возбуждение, на другом участке головного мозга происходит торможение.

Взаимодействие коры с подкорковыми и глубокими центрами, находящимися в головном мозге, также осуществляется по принципу уравновешенного торможения и возбуждения. Высшие отделы ЦНС взаимосвязаны со всеми рефлекторными реакциями. Сигналы, поступающие в мозговые центры по афферентным путям, воспринимаются комплексно, что позволяет точно и объективно воспринимать окружающую действительность.

Зона обработки импульсов

Восприятие информации происходит через сенсорные системы. Зоны обработки импульсов расположены преимущественно в задних отделах корковых структур полушарий. По мере продвижения к корковым отделам, информация обрабатывается минимум на трех уровнях – рецепторно-эффекторном (рецепторы, мышцы), сегментарном (спинной мозг, стволовые комплексы), подкорковом (отделы головного мозга).

Последовательность отражает процесс движения импульса к корковым отделам и порядок принятия избранного решения с последующим совершением целенаправленного действия. Данные поступают в корковые зоны в сжатом виде – по мере движения от рецепторов к головному мозгу происходит отсев маловажных, несущественных деталей.

Зона сенсорного восприятия

В сенсорные зоны от периферических рецепторов постоянно поступают сигналы слухового, зрительного, обонятельного, вкусового, соматосенсорного типа.

Обработка полученных данных происходит в ассоциативных зонах, где хранятся сведения о моделях и образах информации, поступающей извне.

В ходе анализа, обработки, сопоставления имеющейся и новой информации, происходит корректировка образов – обновление, конкретизация, детализация.

Ассоциативная зона

Сведения извне поступают в головной мозг, в частности в центры коры, по афферентным путям. Пути сознательной чувствительности продолжаются до корковых структур. Пути бессознательной чувствительности заканчиваются в подкорковых слоях.

В ходе восприятия информации, происходит ее сравнение с имеющимися в памяти данными и сигналами, которые отправляются другими рецепторами.

Афферентные пути общей чувствительности проводят импульсы, поступающие от болевых, температурных, тактильных рецепторов.

Структурная организация коры включает ассоциативные зоны, которые также называют функциональными.

Сравнительный анализ протекает в ассоциативных зонах покрывающей большие полушария коры, которая обладает наибольшей значимостью в сфере развития интеллектуальных (познавательных) способностей.

Сенсорные сигналы, поступающие в ассоциативные зоны, интерпретируются, дифференцируются, осмысливаются. По результатам анализа выбирается адекватная ответная реакция, соответствующая информация направляется в двигательную зону.

Работа ассоциативных зон взаимосвязана с процессами запоминания данных, обучения, мыслительной деятельности, поэтому играют решающую роль в повышении интеллекта. В затылочной области находится ассоциативная зона, взаимодействующая с органами зрения, которая работает согласованно с сенсорной зоной и отвечает за интерпретацию зрительных ощущений. В числе основных ассоциативных зон:

  1. Звуковая. Анализ звуков.
  2. Речевая. Восприятие и осмысление слов, фраз, выражений.
  3. Двигательная. Планирование и воспроизведение сложной моторной активности.

Разделение зон в корковой области осуществляется по соматотопическому принципу. Сведения, поступающие из области лица, проецируются в центральную заднюю извилину, в ее нижние отделы, рук – в среднюю часть той же извилины, ног – в верхнюю часть. Чем сложнее функциональные задачи частей тела, тем обширнее область проецирования импульсов в коре.

Заболевания

Повреждения тканей в центрах коры, покрывающей большие полушария, приводит к нарушениям в работе всего организма. Поражение различных корковых долей сопровождается ухудшением зрительной, слуховой, двигательной, мыслительной функции. Основные виды заболеваний – атрофия, появления очагов ишемии, некроз, воспалительные процессы, образование кисты или злокачественной опухоли.

Основные причины болезней – генетическая предрасположенность, интоксикации, инфекции и травмы в области головного мозга. Все виды нарушений ведут к ухудшению памяти, когнитивных способностей, функций крупной и мелкой моторики. Результат длительно проходящих патологических процессов – деменция, инвалидность, потребность в постоянном медицинском контроле и обслуживании.

Методы диагностики

Для выявления нарушений и их причин назначают анализы крови и цереброспинальной жидкости. Методы аппаратной диагностики:

  1. Электроэнцефалография. Регистрация биоэлектрической мозговой активности. Показывает диффузное замедление скорости передачи сигналов.
  2. Магнитоэнцефалография. Измерение силы магнитного поля, образующегося вследствие мозговой деятельности. Применяется для выявления локализации очагов эпилептической активности. Метод широко используется в неврологии для диагностики рассеянного склероза, болезни Альцгеймера, невралгии тройничного и других лицевых нервов.
  3. Позитронно-эмиссионная томография. Оценка состояния нигростриарных путей (управление двигательной активностью), выявление очагов, вызывающих эпилептическую активность, участков поражения тканей, провоцирующих деменцию.
  4. Магнитно-резонансная интроскопия. Наглядная, послойная визуализация внутренней структуры мозга.

Современные инструментальные методы позволяют выявлять неврологические нарушения на раннем этапе. Дегенеративные изменения при исследовании наблюдаются в доклинической стадии.

Корковые структуры мозга – важнейшие элементы ЦНС, которые управляют работой организма, обеспечивают взаимосвязь человека с окружающей средой, регулируют двигательную и мыслительную функции. Своевременная диагностика и терапия помогут избежать серьезных последствий, связанных с дегенеративными процессами в корковых тканях.

Источник: https://golovmozg.ru/struktura/stroenie-i-funktsii-kory-golovnogo-mozga

GPS в нашем мозге: Нобелевская премия по физиологии или медицине 2014

Двигательный гомункулус. Кора мозга. Сканер для мозга работает на позитронах

Каким образом мы определяем свое положение в пространстве? Как мы ежедневно находим дорогу с работы домой даже тогда, когда заходим по пути в магазин? Способность ориентироваться в пространстве — одна из жизненно важных функций мозга всех животных, однако долгое время ученые не могли сойтись во мнении, как мозгу это удается. В 2014 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили исследователи «навигационной системы» мозга.

Иммануил Кант в «Критике чистого разума» предположил, что некоторые возможности головного мозга обеспечиваются его врожденными качествами, в том числе, возможность ориентироваться в пространстве и времени.

Однако почти до 1980-х годов ученые-нейрофизиологи не соглашались с немецким мыслителем, предполагая, что навигация животных в пространстве обеспечивается последовательностью из восприятия ими сенсорных стимулов и ответной двигательной реакции.

Работы Джона О’Кифа (John O’Keefe), Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser) и Эдварда Мозера (Edvard Moser) помогли подтвердить предположение Канта и описать врожденную систему ориентации в пространстве.

За свои исследования ученые удостоились Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2014 «за открытие клеток системы позиционирования мозга» — половину премии присудили О’Кифу, а половину — супругам Мозер.

Первым ученым, поддержавшим идею существования в мозге своеобразной «карты местности», был Эдвард Толмэн (Edward Tolman), изучавший обучение крыс навигации. В 1948 году он предположил, что после изучения окружающего пространства в головном мозге животного формируется когнитивная карта, которая помогает в дальнейшем выбирать оптимальный маршрут [1].

В то время мало кто из коллег его поддержал; сильными позициями обладало представление бихевиористов: выбор пути осуществляется за счет последовательных двигательных реакций в ответ на внешние стимулы.

Только через десть лет был разработан метод, позволивший проверить гипотезу Толмэна экспериментально — вживление в мозг животных электродов для длительной записи активности нейронов.

Обнаружение «клеток места»

Джон О’Киф начал работать в Университетском колледже Лондона в конце 1960-х, после окончания аспирантуры в Университере МакГилла в Канаде.

Он использовал тогда еще новую методику вживленных электродов для записи активности нейронов в области гиппокампа крыс, где и обнаружил первый элемент «GPS-системы мозга» — «клетки места» (place cells, на русском также «пространственные клетки») [2].

Хотя О’Киф был не первым, кто осуществил запись нейронов гиппокампа, он впервые стал делать записи при нормальной активности животных, в то время как другие исследователи использовали ограниченный набор поведенческих тестов. Когда О’Киф позволил животным свободно передвигаться по клетке, он заметил, что некоторые нейроны ведут себя очень неожиданно.

Каждый из группы этих нейронов активировался только тогда, когда животное находилось в определенном участке клетки, которое было названо «полем» этого нейрона. Ученый изучил эти удивительные нейроны — «клетки места» — подробнее и выяснил, что их реакция никак не связана с сенсорными сигналами, а совокупность многих «клеток места» создает полную карту окружающего пространства (рис. 1).

Рисунок 1. «Клетки места». Справа: схематическое изображение мозга крысы; оранжевым отмечен гиппокамп, в котором находятся «клетки места». Слева: клетка, по которой крыса может свободно передвигаться; линии показывают пути движения животного. Когда крыса находится в точках, отмеченных оранжевым, определенная «клетка места» активируется.

Первые публикации и выступления О’Кифа с рассказом об удивительных «клетках места» и ментальной карте пространства вызывали скептическую реакцию его коллег.

Но за первыми экспериментами последовали новые подтверждения, и к началу 1990-х представление о существовании в мозге особой системы навигации уже вошло в учебники.

В середине 2000-х изучение этой системы получило свое развитие в работах супругов Мозер.

Открытие «клеток координатной оси»

После завершения аспирантуры в родной Норвегии Мэй-Бритт и Эдвард Мозер около года провели, работая заграницей — сначала в Эдинбурге, в лаборатории Ричарда Морриса, а потом в Лондоне, в лаборатории Джона О’Кифа.

В лаборатории О’Кифа они заинтересовались изучением работы «клеток места» и роли гиппокампа в пространственном ориентировании. После своего возвращения в Норвегию в 1996 году они приступили к новым экспериментам, чтобы выяснить, участвуют ли еще какие-либо зоны мозга в работе ментальной карты.

При этом они усовершенствовали экспериментальную установку О’Кифа, дав крысе возможность передвигаться на достаточно большие расстояния (несколько метров, тогда как у О’Кифа это были 10–15 сантиметров).

Благодаря наличию такого большого поля и записи активности нейронов в новых областях в 2005 году супругам Мозер удалось обнаружить новый компонент системы ориентации — «клетки координатной сетки» (grid cells) в энторинальной коре (участке мозга рядом с гиппокампом) (рис. 2) [3].

Рисунок 2. «Клетки координатной сетки». Справа: схематическое изображение мозга крысы; голубым отмечена энторинальная кора, в которой находятся «клетки координатной сетки».

Слева: клетка, по которой крыса может свободно передвигаться. Линии показывают пути движения животного; когда крыса находится в точках, отмеченных голубым, определенная «клетка координатной сетки» активируется.

В совокупности эти точки образуют гексагональную сетку.

Поведение «клеток координатной сетки» оказалось еще более удивительным, чем поведение «клеток места». Отдельные нейроны, описанные супругами Мозер, активировались, когда крыса находилась в нескольких точках поля.

При этом вместе эти точки поля образовывали шестиугольник, а в совокупности с точками активности других нейронов — целую гексагональную сеть, отчего эти нейроны и получили свое название.

Такая сеть, покрывающая все окружающее пространство, помогает мозгу определять расстояния, а не только положение животного в пространстве.

Другие элементы «GPS-системы мозга»

Исследования О’Кифа и Мозер вызвали большой интерес у нейрофизиологов и побудили многих ученых обратиться к этой теме.

Постепенно были открыты и другие элементы этой внутренней системы ориентации — «клетки направления» (head direction cells), расположенные в основании гиппокампа (субикулуме), и «краевые клетки» (border cells), расположенные в гиппокампе и близлежащих областях мозга (гиппокампальной формации).

«Клетки направления» работают как компас, определяя, в какую сторону направлена голова животного. «Краевые клетки» помогают «отметить на карте» расположение стен, ограничивающих территорию. Кроме того, были обнаружены клетки со смешанной активностью (рис. 3).

Рисунок 3. Разные клетки системы навигации: «клетки места» в гиппокампе (а), «клетки направления» в субикулуме (б), «клетки координатной сетки» в энторинальной коре (в).

За последние годы исследователи узнали много нового о том, как работает ориентационная система головного мозга, и теперь могут гораздо подробнее объяснить, как животные создают ментальную карту окружающей местности.

Еще одним подтверждением того, что Кант был прав в своих рассуждениях о восприятии человеком пространства, служит недавнее открытие врожденности пространственной системы мозга.

В 2010 году две команды исследователей независимо друг от друга обнаружили, что у маленьких крысят, впервые в жизни отправившихся на прогулку, уже есть нормально работающие «клетки места» и «клетки направления», и только «клетки координатной сетки» появляются немного позже.

Получается, что основные компоненты системы пространственного восприятия формируются у млекопитающих еще до приобретения ими какого-либо опыта навигации [4].

Впервые системы ориентации была обнаружена у крыс; позже она была описана у мышей и других млекопитающих, в том числе летучих мышей и обезьян.

Причем оказалось, что работа этих клеток может немного изменяться в зависимости от особенностей поведения животных.

У летучих мышей, которые активно передвигаются в трехмерном пространстве (тогда как мыши и крысы в двумерном), «поля» клеток места представляют собой не плоские зоны, а трехмерные области пространства [5].

Рисунок 4. Разные типы нейронов, расположенные в гиппокампе и энторинальной коре, образуют общую систему навигации в головном мозге. Исследования показывают, что навигационная система в головном мозге крысы и человека устроена по общему принципу.

В экспериментах, проведенных при лечении пациентов с эпилепсией, в соответствующих зонах головного мозга были обнаружены нейроны, похожие на «клетки места» и «клетки координатной сетки».

Подтверждают это и эксперименты с применением фМРТ.

Имеющиеся на данный момент данные позволяют предположить, что система ориентации является консервативной системой головного мозга всех позвоночных животных.

Новая ступень в изучении мозга и нейрокомпьютеры

Открытия О’Кифа и супругов Мозер несомненно являются одними из самых значимых в нейробиологии последний десятилетий. Благородя их исследованиям ученые познакомились с совершенно новым типом работы нейронов, при котором клетки образуют многокомпонентную сеть, позволяющую осуществлять сложные когнитивные процессы.

Кроме фундаментального значения, изучение ориентационной системы мозга играет важную роль и для клинической практики. Некоторые заболевания нервной системы, например, болезнь Альцгеймера, сопровождаются нарушением пространственного ориентирования и пространственной памяти.

Изучение работы сложных нейронных структур имеет важное значение для активно развивающейся области нейрокомпьютеров и робототехники, позволяя использовать элегантные природные решения в качестве технологических находок.

Написано с использованием материалов Нобелевского комитета.

  1. Edward C. Tolman. (1948). Cognitive maps in rats and men.. Psychological Review. 55, 189-208;
  2. J. O'Keefe, J. Dostrovsky. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research. 34, 171-175;
  3. Torkel Hafting, Marianne Fyhn, Sturla Molden, May-Britt Moser, Edvard I. Moser. (2005). Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature. 436, 801-806;
  4. Элементы: «Представление о пространстве является врожденным»;
  5. M. M. Yartsev, N. Ulanovsky. (2013). Representation of Three-Dimensional Space in the Hippocampus of Flying Bats. Science. 340, 367-372;
  6. L. Palmer, G. Lynch. (2010). A Kantian View of Space. Science. 328, 1487-1488.

Источник: https://biomolecula.ru/articles/gps-v-nashem-mozge-nobelevskaia-premiia-po-fiziologii-i-meditsine-2014

Сенсорные и моторные гомункулы Пенфилда: что это?

Двигательный гомункулус. Кора мозга. Сканер для мозга работает на позитронах

В области неврологии они очень известны корковые или гомункулы Пенфилда Гуманизированные представления о распределении нервов и структур мозга, которые связаны с моторными и сенсорными функциями. Для этих двух аспектов были созданы разные гомункулы, так как топография головного мозга варьируется между ними.

Эти существа похожи на людей, хотя их члены не очень пропорциональны; такие нарушения очень полезны для концептуализации дифференциальной иннервации частей тела, ключевого аспекта в морфологии гомункулов.

  • Связанная статья: «Части человеческого мозга (и функции)»

Что такое гомункулус Пенфилда?

С 1937 по 1954 год американский нейрохирург Уайлдер Пенфилд и его сотрудники разработали различные представления о поразительном аспекте топографии мозга: наличие «карт» нервных путей, как сенсорных, так и моторных, в коре.

Различные функции нашего организма не представлены пропорционально на указанной карте, но их размер зависит от сложности соответствующих нервов. Тем не менее, расположение этих областей мозга не представляет Заметные параллели с внешней структурой тела .

Это привело к тому, что Пенфилд был вдохновлен относительным весом каждой функции в коре головного мозга для создания символических образов «гомункула», латинского термина, который переводится как «маленький человек» и часто использовался повсюду истории для обозначения искусственных людей, особенно в контексте художественных произведений.

Учитывая, что между моторными и сенсорными функциями существуют дифференцированные топографические представления о головном мозге, мы можем найти два гомункула с отличительными характеристиками который стоит детализировать.

Какова его форма?

Гомункул Пенфилда был описан как гротеск его собственным автором из-за неправильности его морфологии: в то время как руки, рот, глаза и уши непропорционально велики по сравнению с человеческим телом, остальная часть гомункула имеет слабый внешний вид.

Сравнение между огромными руками и руками, хрупкими и тонкими, особенно поразительно. Эти характеристики даже более заметны в случае моторного гомункула, чем в сенсорном, так как функции, связанные с движением, распределены менее, чем сенсорные.

Причиной специфического аспекта гомункулов являются различия в иннервации различных частей тела : чем интенсивнее и сложнее связь между одним из них и мозгом, тем больше размер соответствующего участка коры головного мозга.

  • Может быть, вы заинтересованы: “Призрачный член и зеркальная коробка терапии”

Сенсорный гомункулус и соместическая кора

Сенсорный гомункулус представляет первичную соматическую или сенсорную кору , которая расположена в постцентральной извилине, мозговая извилина расположена в области теменной доли, прикрепленной к лобной. Фактически, Пенфилд был первым, кто описал эту часть мозга, которая соответствует областям 1, 2 и 3 модели Бродмана.

В этом разделе коры представление схемы тела инвертировано : пальцы находятся в верхней части доли, а рот – в нижней части. Также «топографическая карта» каждого полушария тела находится в противоположной половине мозга. То же самое происходит в случае двигателя гомункула.

Этот гомункулус выглядит несколько менее непропорционально, чем двигатель. Тем не менее, лицо и руки очень большие по сравнению с остальной частью тела, потому что эти регионы наделены многими кожными рецепторами ; плотность этих клеток в части тела определяет размер их коркового представления.

Сомстетическая кора получает большую часть проекций сенсорной информации, которая достигает мозга через таламус, структуру, которая действует как точка соединения между корой и другими более периферическими областями.

Эта часть коры головного мозга занимается не только стимуляцией из внешнего мира, но и также обрабатывает информацию о проприоцепции то есть ощущения, которые организм ощущает относительно взаимного расположения мышц. Это чувство является основополагающим для движения, позы или баланса, среди других функций.

Моторный гомункулус и первичная моторная кора

Корковое представление двигательных нервов и соответствующих кожных рецепторов он расположен в первичной коре двигателя, в центральной канавке область лобной доли, которая находится прямо рядом с некоторой синтетической корой; следовательно, два кортикальных гомункула очень близки друг к другу.

Первичная моторная кора является наиболее важной областью мозга для функционирования двигательной системы: она получает привязанности от таламуса и работает вместе с остальными регионами, связанными с движением, такими как дополнительная моторная кора, для разработки и выполнения двигательных схем.

Внешний вид моторного гомункула еще более гротескен, чем у сенсорного: его рот, глаза и особенно его руки огромны по сравнению с туловищем, руками или ногами. Это связано с большая специфичность в расположении рецепторов и двигательных нервов гораздо менее многочисленны, чем сенсорные в большой части тела.

Поскольку синаптические связи, лежащие в основе нервной системы, изменяются в течение жизни в зависимости от опыта и практики, моторный гомункулус изменяется с течением времени у одного и того же человека и отличается больше, чем сенсорный. межиндивидуальная плоскость.

Сенсорный и моторный гомункул (May 2020)

Источник: https://ru.yestherapyhelps.com/penfield-s-sensory-and-motor-homunculi-what-are-they-12947

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.