Мозг. Русская теория (сериал-тема)

1. Зарождение жизни – промысел Высшего Разума


Теоретически возможны два варианта зарождения жизни: случайный и преднамеренный. Случайный, - когда случайно соединившиеся атомы и молекулы могли бы образовывать зародышевые клетки живых организмов. И преднамеренный,- когда зародышевые клетки создавались бы искусственно по замыслу разума, точнее сказать – по замыслу Высшего Разума.

Что такое – Высший Разум?

Его можно представить в виде космической системы сбора и переработки информации, структура которой похожа на структуру человеческого мозга, точнее – той части человеческого мозга, которая образует мышление; структура – такая же, но возможности – иные, во много-много крат превосходящие человеческие.

Будем считать, что зарождение жизни в космосе – промысел Высшего Разума (или, как говорят верующие люди, - Божий промысел). Преднамеренный (Божий) вариант зарождения жизни удобнее рассматривать в том смысле, что в нём прослеживается логика развития живых организмов, их обоснованность и последовательность. Каждый очередной шаг в усложнении форм жизни, по промыслу Высшего Разума, должен планироваться по следующему принципу: сначала назначается цель усложнения, затем определяются задачи предстоящего усложнения и, наконец, находятся конструктивные решения, которые обеспечивают достижение поставленной цели. Кратко указанный принцип можно выразить так: цель => задачи => решения.


Пример.

Цель: нужно добиться того, чтобы животные приспосабливались к изменяющимся условиям жизни.

Задача: заменить врождённые инстинкты навыками.

Решение: внедрение саморегулируемых синапсов и всего комплекса биохимического сопровождения такого саморегулирования. (Подробности формирования навыков будут рассмотрены в данном учебнике позднее.)


Второй пример.

Цель: желательно, чтобы виды растений и животных совершенствовались из поколения в поколение, приспосабливаясь к изменяющимся условиям жизни.

Задача: разработать новый механизм формирования зародышевых клеток, который обеспечивал бы новые особенности организмов.

Решение: внедрение половой парности размножения, в результате которой могут появляться как удачные сочетания, так и неудачные; неудачные обречены на вымирание.

 

2. Неподвижные и подвижные живые организмы


Первыми, надо полагать, были созданы неподвижные живые организмы (их можно назвать ещё стационарными); это – растения, деревья, кораллы; они не способны перемещаться в пространстве.

При их создании были решены основные задачи превращения неживой материи в живую. Живая ткань неподвижных организмов характеризуется двумя факторами: это – постоянный транспорт веществ и постоянное пополнение ткани за счёт налипания (усвоения) новых молекул. Корни отфильтровывают питательные вещества и нагнетают их в транспортную систему организма. Усваиваются (прилипают с помощью ферментов) только те молекулы, слипание которых – наибольшее.

И транспорт веществ и налипание новых молекул на ткань растения составляют процесс его жизнедеятельности. Так появились неподвижные живые организмы.

Но на каком-то этапе развития живой материи была поставлена цель превратить неподвижные организмы в подвижные. При этом требовалось решить биологическими методами следующие задачи.

Первое – изменение конструкции живых организмов. Организм должен иметь шарнирный остов (позвоночник) и связанные с ним также шарнирно звенья - кости. (Есть в Природе и так называемые беспозвоночные; это – кишечнополостные, черви, моллюски, членистоногие и иглокожие. У них нет позвоночника, но есть заменяющий его панцирь или подобные позвоночнику сочленения.)

Второе – должна быть создана двигательная ткань – мышцы. Мышцы должны соединять все шарнирные звенья организма между собой с тем, чтобы приводить их в движение.

И третье – должна быть создана система управления мышцами; движенья всех звеньев организма должны быть согласованными и целенаправленными.

В результате решения поставленных задач были созданы самые разнообразные подвижные живые организмы; это – и ползающие змеи, и плавающие рыбы, и прыгающие лягушки, и летающие птицы, и бегающие звери. Отличительной их особенностью стала их подвижность.

Таким образом в живом мире появились два вида движений: внутренний – процесс жизнедеятельности и внешний – поведенческий процесс.


Чтобы заострить на этих процессах внимание, рассмотрим пример – сравним организм лошади и механизм трактора. Когда они работают (например пашут), их поведения схожи, но в нерабочем состоянии обнаруживается их различие.

У спокойно стоящей лошади внутри её тела постоянно бьётся сердце, дышат лёгкие, движется по артериям и венам кровь, происходит постоянное замещение прежних молекул новыми, тоесть происходит обмен вещество. Это – процесс жизнедеятельности организма.

У трактора в нерабочем состоянии ничего подобного нет; его механизм в этом случае неподвижен; в нём не происходит никакой постоянный обмен веществ. Внутренний процесс жизнедеятельности у трактора отсутствует.


Договоримся называть неподвижные, стационарные живые организмы растениями, а все подвижные – животными.

Чтобы превратить растения в животных, пришлось снабдить их комплексом устройств, который можно назвать как двигательный аппарат.

 

3. Двигательный аппарат


По логике замысла двигательный аппарат животного должен состоять из приводов и системы управления этими приводами; приводы – это мышцы, а управление – нервная система. Кроме мышц, к приводам можно отнести и некоторые железы. Напрямую они движения не создают, но они определяют интенсивность этих движений.

Логика появления мышц – понятна: они должны создавать тянущие усилия на шарнирно соединённые между собой скелетные звенья – на кости. Именно поэтому изгибается туловище животного, поворачивается и наклоняется его голова, смыкаются челюсти, ступают лапы (ноги, ласты) и приводится в движение многое другое.

Понятна и логика появления нервной системы – мышцами надо управлять; их действия должны быть целенаправленными, а интенсивность этих действий должна соответствовать складывающейся обстановке. Нервная система должна учитывать как внутреннее состояние животного (например голод), так и внешние обстоятельства (например угрозу нападения).

Для того, чтобы быть совершенной, нервная система должна чувствовать, осязать, обонять, слышать и видеть. Всё это называется очувствлением. Реализуется очувствление с помощью особых чувствительных элементов, называемых рецепторами.

Сигналы от рецепторов должны доставляться в мозг. Доставляются они по каналам нервных волокон, называемых нейронами.

Мозг должен формировать сигналы управления мышцами. Он учитывает всё очувствление.

И, наконец, сигналы управления от мозга должны доставляться к мышцам и железам. Доставляются они по нервным волокнам – по специализированным нейронам.

Так из соображений логики должен быть устроен двигательный аппарат животных; так он и устроен на самом деле.

 

4. Нейробиология. Нейрофизиология


У двигательного аппарата, как и у организма животного в целом, все действия разделяются на жизнедеятельность и на поведение.

Жизнедеятельность включает те действия, которые отличают живого двигательного аппарата от мёртвого. Сюда входят непрекращающаяся доставка питательных веществ ко всем клеткам двигательного аппарата и непрекращающаяся замена прежних молекул новыми. В молодом, развивающемся организме происходит ещё деление клеток, тоесть их размножение.

Поведение двигательного аппарата выражается в срабатывании рецепторов, в перемещении сигналов от рецепторов к мозгу и от мозга к мышцам и железам и в срабатывании этих исполнителей.

Науку, изучающую жизнедеятельность двигательного аппарата, принято называть нейробиологией, а науку, изучающую его поведение, договоримся называть нейрофизиологией.

 

Вот так новость. Одноклеточные животные застыли от удивления

Жгу́тик — поверхностная структура, присутствующая у многих прокариотических и эукариотических клеток и служащая для их движения в жидкой среде или по поверхности твёрдых сред.

 

Как можно предположить, многоклеточные эукариоты со жгутиками были первыми подвижными организмами. У них впервые появились раздражимые клетки (рецепторы), проводящие сигналы микротрубочки и исполнительные волокна.
У прокариотов и у одноклеточных эукариотов жгутиков ещё не было.

 

5. Механицизм нейрофизиологии


Устройство и поведение двигательного аппарата можно отразить двояким образом: конкретно с подробным описанием элементов аппарата и их взаимодействий и неконкретно – в общих словах.

Так нейрон можно представить в виде микротрубочки, а сигнал, исходящий из рецептора и перемещающийся вдоль нейрона – в виде порции управляющей жидкости, движущейся внутри микротрубочки. Это – одно представление. Его требуется дополнить ещё подробным описанием физического процесса проталкивания порции управляющей жидкости вдоль эластичной микротрубочки; в этом выражается глотательный рефлекс.

А можно изобразить то же самое общими словами, например так: сигнал, исходящий от рецептора, перемещается вдоль нейрона без потери скорости и энергии. И этим ограничиться, не указывая при этом ни то, что представляет собой сигнал, ни то, под воздействием каких конкретно усилий он перемещается вдоль нейрона.

Первое, конкретное описание принято называть инженерным или механистическим; второе – функциональным.

Иногда функциональное описание выглядит как пожелание, например в таких словах: «В лобных долях большого мозга из многочисленных потребностей отбирается самая важная и формируется цель деятельности, план достижения цели на основании анализа обстановки и прошлого опыта».

Приведём ещё один сравнительный пример. Устройство и работа автомобильного двигателя в механистическом представлении выглядят приблизительно так: у двигателя есть цилиндры, внутри которых перемещаются поршни; поршни соединены шатунами с коленвалом. Когда поршни сжимают воздух и в нём повышается температура, в него подаётся топливо; оно сгорает и повышает давление на поршни; те через шатуны передают усилие на коленвал и поворачивают его.

В функциональном же представлении подробностей нет, но может быть отражена энергетика двигателя, например так: в двигателе химическая энергия преобразуется в механическую, вызывающую вращение выходного вала. В таком представлении, вроде, всё правильно, но нет инженерного, механистического описания.

Существует даже шутливое описание двигателя. В двигателе, якобы, прячется некое дьявольское существо, которое жрёт противный бензин и воняет выхлопными газами. Оно (это дьявольское существо) крутит колёса и пытается направить автомобиль не туда, куда следует; сдерживает его только водитель.

В данной теме и устройство элементов двигательного аппарата и его поведенческие действия будут по мере возможности описываться в механистическом, инженерном плане.

Напомним: двигательный аппарат животных состоит из шарнирно соединённых костей, из мышц (прикреплённых к этим костям) и из нервной системы, управляющей этими мышцами. В свою очередь нервная система включает рецепторы (чувствительные элементы), нейроны, доставляющие сигналы очувствления от рецепторов в мозг (назовём их сенсонейронами), сам мозг и нейроны, по которым сигналы управления доставляются к мышцам (назовём их мотонейронами). Рецепторы призваны реагировать на всевозможные внешние и внутренние раздражения.

 

6. Мышцы. Назначение


Для превращения неподвижных живых организмов (растений) в подвижные (в животных) нужны, по крайней мере, приводы, тоесть те элементы, которые создают движения. Такими приводами в живом мире являются мышцы.

Их назначение – смещать кости животного относительно друг друга: позвонки позвоночника отклоняются взаимно; кости лап и крыльев – относительно позвоночника, кости конечностей (ноги, а у человека – ещё и руки) – относительно друг друга.

Нуждаются в движениях не только кости. Чтобы очищать глаза от пыли, нужно регулярно закрывать их веками. Да и само глазное яблоко должно поворачиваться на все четыре стороны. Должен совершать очень сложные движения язык животных. Чтобы отгонять кровососущих насекомых, нужно подёргивать кожу. Очень богата движениями мимика человека. И во всех этих случаях смещаются не кости, а прочие ткани животных и человека.

(Кстати, мимика лица необходима не для отражения настроения человека, а для его создания. Подробности этого процесса будут рассмотрены позднее.)

Все перечисленные движения должны создаваться мышцами; точнее говоря – мышцы должны создавать усилия для этих движений.

В механике известны три типа приводов: тянущие, толкающие и тяни-толкающие. Какой из них больше всего подходит для мышц?

Наиболее подходящим типом мышечных усилий является тянущий тип. В этом случае мышца может представлять собой способную сокращаться эластичную ткань. Именно такими и являются мышцы.

Правда, у тянущего привода ограничены возможности: он способен создавать усилия только в одном направлении. Так мышцы фаланг пальцев могут только сгибать пальцы, но не могут их разгибать. Чтобы разгибать пальцы, потребовалось прикрепить к косточкам фаланг с обратной стороны другие мышцы - разгибающие. Пару мышц, тянущих в противоположных направлениях, принято называть мышцами-антагонистами.

Когда требуется усложнить движения тех же костей (например при шаровом суставе), приходится прикреплять к ним дополнительные мышцы.

Большое количество подвижных костей и других видов ткани и соответствующее им большое количество мышц призваны обеспечить плавные, пластичные движения животных.

Особенно ярко выражены они, например, у кошек; их движения не только пластичны, но и грациозны. (Сравните их с угловатыми движениями простейших роботов.) И достигается пластичность, повторим, большим количеством мышц; у человека их – более 600.

 

7. Мышцы. Устройство и работа


Мышца должна сокращаться; сокращаясь, она должна создавать усилие натяжения.

Следует иметь в виду, что требуются разные мышцы: разные по усилиям натяжения и разные по длине рабочего хода. Желательно было бы иметь такую мышечную ткань, которая легко решала бы обе эти задачи.

Решение – в создании мышечного волокна.

Чем больше параллельно действующих волокон (чем толще мышца), тем больше суммарное усилие они могут развивать. И чем длиннее мышечное волокно, тем больше его рабочий ход.

Устройство мышечного волокна – оригинально. Оно составлено из чередующихся молекул белков актина и миозина.

Молекула белка актина похожа на двустороннюю гребёнку. Эти молекулы располагаются в ряд по всей длине мышечного волокна. Между зубцами последовательно расположенных молекул актина размещаются молекулы миозина. Они выглядят как полоски, соединяющие рядом расположенные гребёнки актина между собой. Таким образом обеспечивается непрерывность мышечного волокна. Чем больше количество перемежающихся молекул актина и миозина, тем длиннее волокно.

Сокращение длины мышечного волокна происходит тогда, когда полоски молекул миозина уходят вглубь между зубцами молекул актина; гребёнки актина при этом сближаются.

Зададимся вопросом: почему миозин углубляется в актин?

Молекула белка миозина представляет собой полоски с наростами в виде язычков; этими язычками они слипаются с молекулами актина. В расслабленном состоянии мышечного волокна язычки миозина прилипают к актину своими кончиками. Сокращение длины волокна происходит тогда, когда язычки миозина начинают прилипать к актину всей своей поверхностью. При этом миозин углубляется в актин.

Осталось определиться с тем – чем вызывается разное прилипание язычков миозина.

Всё дело – в наличии в зонах слипания электронов; если их там нет, то язычки прилипают всей своей длиной; если же электроны нагнетаются туда, то они разъединяют слипающиеся поверхности.





Нейрофизиология мышцы.


Таким образом, взаимное движение миозина и актина определяется наличием на них электронов: при отборе электронов они сближаются, а при подаче – расходятся; в первом случае мышечное волокно укорачивается; во втором – удлиняется, точнее – расслабляется.

Слипание миозина с актином не требует энергетических затрат; оно происходит само собой. Энергию приходится затрачивать лишь для ослабления слипания. Тогда приходится подавать на мышцы электроны и с помощью них отрывать миозин от актина.

Похожее явление с преобразованием энергии можно наблюдать при слипании липких лент: слипаются они сами собой, а для их разделения требуется приложить определённые усилия.

 

8. Сигнал управления мышцей


Каким должен быть сигнал управления, чтобы он мог заставить мышцу сокращаться?

Мышца сокращается тогда, когда с её волокон (точнее – из зон слипания актина с миозином) удаляются электроны.

Удалить электроны можно чисто электрическим способом. Для этого достаточно иметь в теле животного источник тока и соединить его положительный (обеднённый электронами) электрод с сокращающейся мышцей. Источники тока в живой природе есть, например у некоторых рыб. Не составит особого труда и образование токопроводящих каналов.

Но в данном случае, попутно с решением задачи сокращения мышц, должны были решаться и другие задачи, в частности – стимуляция развития (роста) нервной системы.

И оказалось, что лучшим вариантом сигнала управления является обеднённая электронами управляющая жидкость, но при условии, что она будет основным компонентом питательного раствора, вызывающего рост всех элементов нервной системы. И в случае с нервной системой, как и в случае с мышцами, таким образом решается попутно задача ускоренного роста тех частей нервной системы, которые чаще всего работают. Известно. что у музыкантов более развита та зона мозга, которая реагирует на звук (слуховая зона); у художников – зрительная зона; у спортсменов – отвечающий за движения мозжечок.

Ещё одной попутной задачей при выборе вида сигнала управления было повышение безопасности нервной системы. Чисто электрическая система была бы более уязвимой: она реагировала бы на всякое изменение электронного давления в окружающей среде.

Итак, сигнал управления мышцей представляет собой обеднённую электронами жидкость, являющуюся в то же время питательной средой по отношению к нервной системе.

 

9. Мотонейроны


Управляющую жидкость можно доставить к мышцам только по гидравлическим каналам.

Следует сразу оговориться, что потоки этой жидкости – крайне малы; они малы и по объёму и по скорости движения; их никак нельзя сравнивать с потоками крови.

Максимальный поток управляющей жидкости в сенсонейронах (в подводящих к мозгу каналах) составляет приблизительно всего 6*10-21 кубометра в секунду. Если даже перевести его в кубические миллиметры, то и тогда он покажется крайне малым – 6*10-12 мм3/с. А минимальный поток – ещё меньше. Правда, на мотонейронах эти потоки тысячекратно складываются, но и тогда они оказываются совершенно незначительными.

Мала и скорость потока управляющей жидкости: наибольшая равна 5 микрометров в секунду (0.005 мм/с), а наименьшая = 10 нанометров в секунду (0.00001 мм/с). Практически жидкость по каналам управления движется елезаметно.

Диаметры гидравлических каналов находятся где-то в пределах нескольких десятков нанометров. Даже термин «канал» к ним не подходит; лучше называть их микротрубочками; они заметны только в сильный микроскоп.



Микрофотография среза коры мозжечка. Мелкие кружочки – сечения микротрубочек.


Диаметры микротрубочек, действительно, крайне малы, но длина их может быть достаточно большой. Нужно иметь в виду, что поставляется управляющая жидкость от мозга (от головы) до самых отдалённых мышц животного, на расстояние метра и даже более (представьте себе – у слона или у жирафа).

Микротрубочка формируется внутри элементарного нервного волокна, и, как правило, в каждом волокне размещается не одна микротрубочка, а несколько (иногда – до сотни и более). Диаметр самого волокна в десятки раз больше диаметра микротрубочки, но и он оказывается очень малым.

Элементарные нервные волокна, по микротрубочкам которых перемещается управляющая жидкость, принято называть нейронами, а те из них, которые доставляют эту жидкость к мышцам – мотонейронами.

Выглядит нейрон как крошечное дерево с его стволом, корнями и ветвями.

У мотонейрона корешки располагаются в мозге; они собирают там управляющую жидкость и направляют её к мышцам. А веточки мотонейрона накладываются на мышечные волокна (каждая веточка – отдельная микротрубочка) и передаёт на них сигналы управления.






Микрофотография двух мышечных волокон, к которым примыкает окончание мотонейрона.


Веточки внутри нейрона соединяются с отдельными корешками своими микротрубочками. Количество действующих веточек равно количеству корешков.

Элементарные нервные волокна (нейроны) могут быть собраны в пучки, и каждый такой пучок называется уже нервом.

 

10. Очувствление. Рецепторы


Перейдём теперь к органам чувств.

У животного должны быть глаза, чтобы видеть всё вокруг; у него должны быть уши, чтобы слышать звуки; должны быть нос и язык, чтобы различать запахи и вкусы; должна быть чувствительная кожа, чтобы ощущать касание и давление, ощущать холод и тепло. И прежде всего животное должно иметь такой орган равновесия, который позволял бы ему поддерживать позу бодрствования (во время сна его тело, как известно, расслабляется).

Конструкции (устройства) всех этих органов чувств могут быть самыми разными. Самыми разными, казалось бы, должны быть и чувствительные элементы этих органов.

Но были созданы такие элементы, которые оказались универсальными для большинства органов очувствления. Это – так называемые рецепторы.

Рецептор представляет собой колбочку, заполненную управляющей жидкостью. На выходе колбочки установлена воротная молекула. Она открывает и закрывает выход из колбочки под воздействием внешнего раздражения. Разные типы воротных молекул реагируют на раздражители по-разному.

В общем воротные молекулы можно разделить на механические и химические; механические – все, кроме тех, которые реагируют на запах и вкус (это – химические). В свою очередь, механические воротные молекулы бывают резонирующие и универсальные.

Резонирующие – это те, которые срабатывают только на своих, особых частотах. Так на зелёный цвет в глазах в цветовом зрении реагирует только «зелёная» воротная молекула; на красный – «красная» и так далее. То же самое – в ушах: на каждую звуковую частоту реагирует (открывается /закрывается) только определённая молекула.

Воротные молекулы работают в импульсном, дискретном режиме: при раздражении они открывают-закрывают выходы из рецепторных колбочек с частотой до 800 раз в секунду.

Почему выбран импульсный режим работы рецепторов? Это сделано в первую очередь для того, чтобы реализовать глотательный рефлекс в нейронах.

Кроме внешнего очувствления, в организме животного должно быть ещё внутреннее; оно должно реагировать на состояние самого организма. Для этого рецепторы располагаются и в мышцах, и во внутренних органах, и в суставах. В них используются всё те же типы воротных молекул.





Микрофотография сетчатки глаза. Мелкие белые пятнышки – чёрно-белые рецепторы; чёрные пятна с белыми точками в центре – цветовые рецепторы.


Всего рецепторов в организме животного – очень много, многие миллионы; особенно их много в глазах. Сетчатка одного глаза содержит приблизительно 125 миллионов рецепторов.

Обонятельных рецепторов – более 40 миллионов. На каждом квадратном сантиметре кожи располагается в среднем до 400 рецепторов осязания и температуры.

 

11. Рецепторная среда


Давление управляющей жидкости внутри рецепторной колбочки можно было бы создавать путём особой способности её оболочки съёживаться (внутриклеточное давление именно так и создаётся).

Но перед очувствлением была поставлена дополнительная задача – принимать участие в сложных процессах управления, в частности – в обеспечении ступенчатых движений. (Эту задачу мы рассмотрим позднее.)

И поэтому пришлось перепоручить создание внутри рецепторного давления той среде, в которой располагаются сами рецепторы, тоесть рецепторной среде. Это – и кожа, и мышцы, и глазная склера, и суставная среда, и прочее.

Напряжение рецепторной среды регулируется нервной системой; этому подвергается в отдельности каждая её зона. Таким образом регулируется внутри рецепторное давление.

Пополняются рецепторные колбочки той управляющей жидкостью, которая вырабатывается рецепторной средой. Хватает этой жидкости только на время бодрствования. Далее приходится вводить организм животного в состояние сна, и тогда рецепторная среда расслабляется и пополняет находящиеся в ней рецепторные колбочки управляющей жидкостью.



12. Сенсонейроны


Выдавленную из рецепторов управляющую жидкость необходимо доставить в мозг, где она перекочует в мотонейроны и далее поступит к мышцам. Для доставки жидкости от рецепторов до мозга достаточно использовать те же нейроны, только теперь называть их следует сенсонейронами, тоесть нейронами очувствления.

Сенсонейроны по внешнему виду напоминают (как и мотонейроны) деревья с их корнями, стволами и ветвями. Корнями они соединяются с рецепторами. По их стволам управляющая жидкость доставляется в мозг. А с помощью веток сенсонейроны соединяются либо напрямую с мотонейронами, либо с ними же через специальные нейроны мозга, называемых компонейронами.

Внутри сенсонейронов, как и внутри мотонейронов, располагаются микротрубочки, по которым перемещается управляющая жидкость. Каждый корешок сенсонейрона соединён с отдельной своей веточкой отдельной микротрубочкой.

Микротрубочки сенсонейронов тоньше микротрубочек мотонейронов; их диаметр составляет 20…30 нанометров (один нанометр, напомним, равен одной миллионной части длины миллиметра).

Основное различие сенсонейронов и мотонейронов состоит в их функциональных назначениях: сенсонейроны поставляют управляющую жидкость в мозг, а мотонейроны отбирают её из мозга.

 

13. Глотательный рефлекс


Воротная молекула рецептора работает в дискретном, импульсном режиме: она то открывается на очень короткое время, то закрывается. При её открытии рецепторная среда успевает выдавить в микротрубочку сенсонейрона порцию управляющей жидкости. Серия срабатываний воротной молекулы порождает череду выдавленных порций. Причём эта череда не сливается в общий поток.

Таким образом, сигнал управления нервной системы животного представляет собой череду отдельно движущихся порций управляющей жидкости.

Возникает вопрос: каким способом заставить эту череду порций двигаться по микротрубочке нейрона?

Задача эта – непростая. Во-первых, управляющая жидкость – не очень текучая; она – вязкая; в ней, кроме воды, - много разных других молекул и среди них есть крупные. Во-вторых, диаметр микротрубочки очень мал; даже чистая вода продавливалась бы вдоль по ней с трудом. В-третьих, микротрубочки могут быть сравнительно длинными – метр и более; заставить течь управляющую жидкость по ним простым подпором давления на входах просто невозможно.

Выход из положения – в глотательном рефлексе.

В организмах животных такой способ продавливания вязких веществ используется в работе пищевода и пищеварительного тракта. Главную роль в глотательном рефлексе играют электроны. При их избытке они ослабляют слипание атомов и молекул, а при недостатке – усиливают. При ослаблении слипания кольцевые мышцы каналов расслабляются, а при усилении – сокращаются. При сокращении мышц образуется перехват, проталкивающий порции вещества вдоль по каналу.

Глотательный рефлекс пищевода и пищеварительного тракта – самоподдерживающийся: зародившийся на входе он принимает форму движущейся волны перехвата и вздутия. Таким образом продавливается каждая отдельная порция вещества от начала и до конца, продавливается каждый отдельный глоток.

У микротрубочки нейрона в этом отношении картина - иная. Череда порций управляющей жидкости в ней смещается только тогда, когда на её входе появляется очередная порция.

Механизм совместного движения всех порций - таков. При движении каждой задней порции она вызывает вздутие микротрубочки; при этом вскрываются поры оболочки микротрубочки. Вздутие создаёт снаружи дополнительное давление, под действием которого свободные молекулы внешней среды продавливаются внутрь микротрубочки. Такими свободными молекулами являются молекулы хлористого натрия (обычной пищевой соли). Продавливаются они оголёнными от электронов (электроны стираются порами). Оказавшись внутри микротрубочки, молекулы хлористого натрия стягивают на себя электроны кольцевых мышц, оголяют их и заставляют укорачиваться.

Так возникает перехват микротрубочки. Он толкает переднюю порцию вперёд. Следовательно, каждая порция движется вперёд только тогда, когда приближается к ней задняя порция. Если такого приближения нет, то и движения нет. Так передаются движения от порции к порции, от начала микротрубочки к её концу, какой бы длинной она не была.

Перехват микротрубочки повышает внутреннее давление в ней и выдавливает молекулы хлористого натрия обратно наружу. При этом плотность электронов внутри микротрубочки восстанавливается (увеличивается), и кольцевые мышцы приходят в норму.

Главное преимущество глотательного рефлекса перед непрерывным течением состоит в том, что усилия продвижения каждой порции создаются местными кольцевыми мышцами микротрубочек, а не подпором в её начале. Эти усилия рассредоточены по всей длине микротрубочек.

Другим преимуществом является повышение быстродействия канала: порция на выходе из микротрубочки появляется вслед за появлением порции на входе, и не требуется время прохождения входящей порции по всей длине микротрубочки.

 

14. Скорость нейронного сигнала


Нейронный сигнал – это движение порции управляющей жидкости вдоль по нейрону (по микротрубочке нейрона).

Сразу скажем, что скорость нейронного сигнала колеблется в очень широких пределах: от 0,5 до 120 метров в секунду. Чем объяснить такой широкий диапазон? И как поднять скорость сигнала?

Начнём с поясняющего примера. Допустим – отключилась вода в вашем водопроводе, тоесть выключили насос на насосной станции; но сам водопровод остался заполненным. Вопрос: как скоро из вашего крана побежит вода после включения насоса?

Ответ такой: вода побежит из крана тогда, когда добежит до вашего дома волна давления внутри водопровода. Обратите внимание на то, что время задержки никак не связано со скоростью самой воды в трубе, а определяется только скоростью волны в ней.

А скорость волны определяется жёсткостью водопроводной трубы. Если труба была бы резиновой, то скорость волны была бы очень малой, и задержка во времени была бы очень большой.

Но трубы, как правило, - чугунные, и скорость волны в них превышает 1000 метров в секунду. Если до вашего дома – 1000 метров, то вода из крана побежит приблизительно через секунду.

Вернёмся к нейронному сигналу. Его скорость точно также определяется бегущей волной управляющей жидкости по нейрону, и зависит она от жёсткости нейрона.

Оболочка нейрона – эластичная, тоесть легко раздувающаяся; она более эластичная даже, чем резиновая. Поэтому скорость волны в нейроне – очень малая, не более одного метра в секунду.

Если нейрон – короткий (допустим, менее одного сантиметра), то задержка сигнала во времени составит менее сотой доли секунды. Такое быстродействие приемлемо для всех животных; оно соизмеримо с быстродействием мышц.

Но если нейрон более длинный, то приходится думать – как увеличить скорость его сигнала.

Решение – очевидное: необходимо ужесточить нейрон, тоесть исключить его чрезмерное раздувание при прохождении волны давления в нём. Сделать это можно с помощью дополнительной известковой оболочки поверх нейрона. Таким образом можно увеличить быстродействие нейронов в десятки и сотни раз.

Действительная скорость сигнала ужесточённого нейрона составляет 100…120 метров в секунду. Даже при длине нейрона в метр и более задержка во времени не превысит сотой доли секунды. Это – приемлемое быстродействие.

Осталось только решить – как сделать известковую оболочку ужесточённых нейронов более гибкой (нейроны и нервы должны всё же изгибаться).

Для этого достаточно выполнить её оболочку в виде известковых бус, нанизанных на нейронное волокно.

Пучки нейронов с известковыми бусами отличаются даже внешне – они белесые, и поэтому в общей массе они называются белым веществом мозга. В отличие от них кора мозга, состоящая из нейронов без известковых оболочек, называется серым веществом.


Случается такое заболевание у людей – рассеянный склероз, когда вокруг нейронов не образуются известковые бусы. Быстродействие нервной системы тогда оказывается недостаточным, и поведение человека становится «пьяным». Вот как сказывается отсутствие ужесточения нейронов.

 

15. Синапсы. Компонейроны. Мозг


Управляющая жидкость переходит с сенсонейронов на мотонейроны в точках их контактов. Эти точки играют в нервных системах главнейшую роль и поэтому заслуживают особого внимания. Называются они синапсами.

Возникают синапсы следующим образом. Растущий сенсонейрон разветвляется, и где-то его веточки утыкаются в тела мотонейронов. В точках возникших контактов оболочки сомкнувшихся нейронов не срастаются, а остаются независимыми; они только примыкают друг к другу. Под воздействием поступающей к возникшему синапсу управляющей жидкости (она же – и питательная) кончик уткнувшейся веточки расплющивается и выдавливает в теле принимающего нейрона небольшое углубление. Тем самым создаётся надёжное место для перехода порций управляющей жидкости с одного нейрона на другой. Следует иметь в виду, что оболочки нейронов представляют собой пористые плёнки, сквозь поры которых и проникает управляющая жидкость.

Нейроны на протяжении всей жизни организма растут и разветвляются, и постоянно возникают всё новые и новые синапсы.


Развитие нейронов коры головного мозга от плода до взрослого состояния.


Росту числа синапсов способствует и то, что между сенсонейронами и мотонейронами возникают нейроны-посредники; они, во-первых, осуществляют очувствление мотонейронов и, во-вторых, многократно дублируют сенсонейроны; другими словами, они компонуют необходимые усложнённые связи и поэтому называются компонейронами.

Компонейроны, осуществляющие очувствление мотонейронов, в отличие от сенсонейронов и мотонейронов,- очень короткие; их длина не превышает нескольких миллиметров. На такой длине нет смысла устанавливать известковые ужесточающие оболочки (бусы), и поэтому в общей массе эти компонейроны выглядят как серое вещество мозга.

(Длинные сенсонейроны, мотонейроны и компонейроны с нанизанными на них известковыми бусами, напомним, в общей массе выглядят как белое вещество.)


Схема нейронных соединений нервной системы.


И если число сенсонейронов измеряется сотнями миллионов и они дополняются компонейронами со своими сложными связями, то общее количество их внешних связей (тоесть синапсов) составляет уже несколько миллиардов. Именно таким большим количеством синапсов объясняется совершенство поведения животных.

Сенсонейроны распределены по всему организму животного; также по всему организму размещаются мотонейроны. Учитывая это, можно было бы их контакты располагать в местах их соприкосновения, тоесть по всему организму.

Однако лучшим решением является сосредоточение всех синапсов (и компонейронов) в одном месте. Главным соображением такого расположения синапсов стало удобство размещения рядом с ними многочисленных желёз, обеспечивающих их функционирование. Кроме того, появляется возможность оградить собранные вместе синапсы от внешнего воздействия.

В итоге сведённые в одно место сенсонейроны, мотонейроны и связывающие их компонейроны образуют вещество, названное мозгом. Одна часть мозга размещена в центральной полости позвоночника, другая – в черепной коробке головы. И там и там мозг надёжно защищён прочной костной оболочкой. Эта оболочка, кроме прочего, сохраняет стабильное внешнее давление на мозг. (Изменяющееся давление могло бы влиять на работу его нейронов.)

Размещение мозга в голове выгодно ещё и тем, что рядом с ним располагаются глаза, уши и другие органы очувствления.

 

16. Мозг. Рефлексы


Мозг – часть нервной системы; он замыкает очувствление с исполнением.

Если рассматривать мозг в развитии, то начинать надо с рефлексов. Они были первыми на пути превращения растений в животных.

Рефлекс – разовая реакция мышц на раздражение.


Пример. Прикосновение к дождевому червю вызывает его съёживание.


По мере усложнения нервных систем рефлексы не замещались более сложными действиями, а дополнялись ими. Так сохранились они даже у человека; непроизвольное мигание век глаз – рефлекс; кашель, чихание, отдёргивание руки от горячего предмета – тоже рефлексы.

Механизм рефлексов – очень простой: несколько сенсонейронов замыкаются на мотонейроне. В результате при раздражении рецепторов их сигналы (порции управляющей жидкости) передаются через сенсонейроны на мотонейроны, суммируются там и подаются на мышцу; мышца срабатывает.

Проводимость синапсов у рефлексных контактов – полная: порции управляющей жидкости переходят с сенсонейронов на мотонейроны без потерь.

Рефлекс может охватывать несколько разом срабатывающих мышц. Это наблюдается, например, при чихании.

Математически сигнал управления мышцей (сигнал мотонейрона) e можно представить как сумму Σ всех сигналов раздражаемых рецепторов (сигналов сенсонейронов) bi; i– номер сенсонейрона:


e= Σbi


Рефлексные контакты чаще всего располагаются в позвоночнике (спинной мозг), но могут быть и в рассеянном виде.

 

17. Мозг. Инстинкты


Инстинкты – это все те действия, которым не приходится учиться; они – врождённые.

Инстинкты составляются в виде набора последовательно выполняемых рефлексов.

Примеры инстинктов: ползание гусениц, полёты насекомых, построение гнёзд у птиц, выхаживание ими птенцов, и многое, многое другое. Только что родившийся телёнок, например, сразу начинает ходить, и это – инстинкт. Ребёнок, как известно, учится ходить почти год.

Но и у человека есть инстинкты; их у него – немного, но они есть; это, например,- сложный процесс сосания ребёнком груди матери, или его плач, когда он испытывает голод или какие-то неудобства.

Внедрение инстинктов потребовало значительного усложнения нервных систем животных; усложнилось и очувствление, усложнился и мозг. Инстинкты побудили оснастить животных зрением, слухом, осязанием и прочим очувствлением.

С инстинктами связано появление матричной структуры мозга, состоящей из строк и столбцов; строки – это сенсонейроны, а столбцы – мотонейроны. Каждому рецептору соответствует в мозге строка, а каждой мышце – столбец. В местах их пересечений располагаются синапсы.



Фрагмент матричной структуры мозга с одним столбцом.


В инстинктивном мозге впервые появились контуры с обратными связями. Чтобы составить цепочку рефлексов, пришлось дополнить очувствление сбором информации о движениях исполнительных мышц. На схеме мозга это отобразилось как соединение столбцов с дополнительными строками.

Именно с внедрением у животных инстинктов связано образование головного мозга.

Матричная структура мозга, появившаяся с внедрением инстинктов, сохраняется и у более развитого мозга вплоть до человеческого.

(Следует заметить, что в матричном мозге нет места для хранения информации в принятом её понимании, тоесть в виде текстов, цифр и фотографий. Мозг не хранит ни образов, ни ситуаций, ни наборов исполнительных команд. Он лишь пропускает через себя сигналы от очувствления и сразу трансформирует их в сигналы управления.)

Матричный столбец (мотонейрон) имеет контакты (синапсы) со всеми строками (сенсонейронами), но не имеет прямой связи с другими столбцами. Это говорит о том, что действия отдельных мышц – автономны, тоесть независимы от других мышц.

И ещё одна особенность матричного мозга – обезличенность очувствления; строки мозга не разделяются по органам очувствления; все они – одинаковые.

Проводимости синапсов инстинктивного мозга сохраняются неизменными, как и в случае с рефлексами.

Сохраняются неизменными у животных и сами инстинкты; сохраняются такими, какими были они образованы изначально. Инстинкты могут усилиться или ослабнуть, но исчезнуть совсем или появиться у другого животного они не могут.

Поведение ласточки, определяемое инстинктами, совсем не похоже на поведение воробья, хотя живут они в одних и тех же условиях. И никогда ласточка не станет воробьём, как и тот – ласточкой.

Кстати, судя по инстинктам, можно выявить – в какой последовательности создавались животные. Мышь, например, не реагирует на неподвижно сидящую кошку, а кошка реагирует на мышь. Следовательно, кошка создавалась после мыши. Некоторые птицы тревожно цокают при всяком появлении кошки; значит, они появились после неё. Кукушка подкладывает свои яйца в гнёзда других птиц; следовательно, она создана после них.

 

18. Мозг. Навыки


У инстинктов есть один существенный недостаток – они не могут изменяться при изменении условий существования животных. Поэтому на определённом этапе развития жизни они были дополнены навыками.

Навыки имеются у большинства животных. Особенно отчётливо они проявляются у пчёл. Стоит только одной из них случайно обнаружить сахар или что-нибудь сладкое, как она запоминает это место и возвращается к нему регулярно. Мало того, она увлекает за собой к этому месту других пчёл.

У высокоразвитых животных в связи с появлением навыков круг инстинктов даже сократился. Птенцы певчих птиц, и в том числе – кукушки, например, уже практически не способны выжить в одиночку без навыков, преподносимых им родителями. И поют певчие птицы, как правило, во время выхаживания птенцов с тем, чтобы те научились узнавать своих родителей по голосу и осваивали бы под их руководством те навыки, без которых им трудно выжить.

Меньше всего, наверное. осталось инстинктов у самого человека.

Итак, цель данного этапа – животные должны приспосабливаться к изменяющимся условиям жизни. Задача – заменить врождённые инстинкты навыками.

Но как это сделать?

В принципиальном плане решение было найдено очень простое: это – замена нерегулируемых синапсов мозга регулируемыми; их проводимости должны формироваться в процессе обучения в реальных условиях; более того, синапсы должны саморегулироваться.

Синапсы возникают в коре головного мозга в том месте, где растущая веточка предыдущего нейрона упирается в тело последующего и выражается в возможности перехода управляющей жидкости с одного нейрона на другой.

Отметим одну важнейшую особенность смыкания нейронов: их оболочки не срастаются и даже, можно сказать, не контактируют между собой. Между ними сохраняется щель шириной 20…50 нанометров, называемая синаптической.

Передача управляющей жидкости через синаптическую щель происходит следующим образом. Глотательный рефлекс предыдущего нейрона выдавливает в щель очередную порцию жидкости. Здесь жидкость частично расходится в разные стороны и растворяется в окружающей среде. То же самое происходит со всеми последующими порциями. Утекающая по сторонам часть всего потока управляющей жидкости составляет синаптические утечки.

Утечки создают в щели подпор, достаточный для того, чтобы остальная часть управляющей жидкости просочилась сквозь оболочку последующего нейрона, образовала в нём свою порцию глотательного рефлекса и продолжила свой путь по его микротрубочке.

Очевидно, чем меньше щель, тем больше подпор и тем больше управляющей жидкости переходит в последующий нейрон.

Отобразим передачу сигнала (потока управляющей жидкости) через синапс математически. Череду порций представим в виде непрерывного потока жидкости.

Пусть bi – поток, исходящий от соответствующего рецептора; Δbi – синаптические утечки; ei– поток жидкости, прошедший через синапс и внедрившийся в последующий нейрон.

Понятно, что


ei = bi - Δbi


В свою очередь, утечки Δbiможно выразить как


Δbi = Δi · bi


Здесь Δi – характеристика конкретной синаптической щели, отражающая её проходное сечение.

Подставив одно в другое, получим


ei = bi – Δi · bi = bi (1 – Δi)


Произведём замену:


1 – Δi = ci


В результате будем иметь


ei = bi · ci


Здесь ciхарактеризует гидравлическую проводимость синапса; она может изменяться в пределах от 0 до 1.

Таким образом, каждый рецептор очувствления поставляет соответствующей мышце только часть своего потока.

А весь поток управляющей жидкости, идущий на мышцу, определяется как сумма частей от всех рецепторов:


e= b1·c1 + b2·c2 +…+bm·cm


(m – количество рецепторов.)

Изобразим эту сумму как


e= Σei = Σ(bi·ci)


Также формируется сигнал управления любой другой мышцы, только у каждой из них будут свои проводимости синапсов.

 

19. Мозг. Навыки. Обучение


Обучение мозга выражается в саморегулировании синапсов.

По форме утыкающееся в тело мотонейрона окончание сенсонейрона похоже на шляпку гриба.

Изменение конфигурации этой шляпки и размеров синаптической щели, приводящее к изменению утечек управляющей жидкости в ней, происходит в результате наращивания или сокращения оболочек состыкованных нейронов в месте их контакта.

Основой оболочек является своего рода сетка, наполненная белками.

Белки могут создаваться и пополняться или, наоборот, разрушаться и удаляться. То и другое может происходить только под воздействием особых веществ, вырабатываемых железами мозга и определяющих состояние животного; назовём эти вещества эмоветорами. Одни из них вызывают удовлетворение, другие неудовлетворение организма. Подаются на синапсы они не по каналам нейронов, а извне.






Синапс. Саморегулирование.


Эмоветоры удовлетворения, соединяясь с управляющей жидкостью, образуют белки, которые встраиваются в обе смыкающиеся оболочки и уменьшают синаптическую щель между ними. Когда же подаётся эмоветор неудовлетворения (огорчения), белки разрушаются и щель увеличивается. В первом случае поток управляющей жидкости, проходящий сквозь синапс, увеличивается, а во втором – уменьшается.

О гидравлической проводимости синапса в таких случаях можно сказать следующее: в благоприятных ситуациях она растёт, а в неприятных – уменьшается.

Изменение проводимости синапса и является актом обучения. Очевидно, чем больше выделяется в синаптическую щель управляющей жидкости (чем сильнее возбуждён соответствующий рецептор) и чем больше поступит туда эмоветора (чем напряжённее эмоциональное состояние), тем интенсивнее изменяется проводимость синапса и тем энергичнее происходит его обучение. Получается так, что синапс саморегулируется: чем больше поток, проходящий сквозь него, тем больше он изменяется.

Может возникнуть сомнение в успешности такого обучения. Во-первых, все сенсонейроны – обезличены; они поставляют на мотонейроны управляющую жидкость от рецепторов вне всякой связи с их органами чувств. Во-вторых, среди множества обезличенных рецепторов наверняка окажутся и такие, возбуждение которых будет максимальным и в благоприятных ситуациях и в неблагоприятных.

Действительно, рост проводимости такого синапса в благоприятной ситуации окажется максимальным; это – так. Но также ускоренно будет уменьшаться его проводимость в неблагоприятной ситуации. В результате она (проводимость) окажется малой и незначимой в итоговом сигнале управления.