Социалистические страны имеют национальные нейрофизиологические школы, богатые научные традиции, выдающихся специалистов. Многие работы в этой области получили признание в мировой науке.
Академии наук социалистических стран создали комиссию многостороннего сотрудничества по проблемам нейрофизиологии и высшей нервной деятельности («Интермозг»), которая призвана объединить усилия в деле познания функций мозга.
Можно спорить по поводу формулировки еще не сделанных открытий, и тем более по поводу их сроков, но трудно оспаривать тот несомненный факт, что всестороннее исследование деятельности мозга представляет одну из самых актуальных и бурно развивающихся областей науки последней трети нашего столетия.
Не одно тысячелетие человек с удивлением, и интересом всматривается в глубины «второй Вселенной» (А. Толстой) своего мозга, в неведомые галактики миллиардов «звездочек» - нервных и глиальных (соединительно-тканых) клеток. «Я решил, что перестану заниматься изучением неживой природы, и постараюсь понять, почему так получается, что человек знает, что хорошо, а делает то, что плохо», - объявил Сократ, наблюдая загадочное и противоречивое поведение своих современников. Среди областей науки, на базе которых, по мысли В. И. Ленина, должны сложиться теория познания, и диалектика, по крайней мере пять имеют прямое отношение к деятельности мозга. Вот они история умственного развития ребенка, история умственного развития животных, история развития языка, психология и физиология органов чувств
В успехах изучения мозга ныне заинтересованы инженерная психология, и бионика, педагогика и клиническая медицина, кибернетика, и философия. Научную организацию автоматизированного производства, прогресс авиации и освоения космоса трудно представить без учета объективных данных о возможностях, и ограничениях высшей нервной (психической) деятельности человека. Если в первые годы космической эры биологов прежде всего интересовали проблемы невесомости, водно-солевого обмена, питания и личной гигиены, то сегодня на переднем крае космической физиологии мы встречаемся с вопросами деятельности человека в космосе, ее эффективности, организации труда, отдыха, и сна космонавтов. Когда в недавнем полете орбитальной станции «Скайлэб» непредвиденная поломка, казалось, свела на нет годы тщательной подготовки, инженерного искусства и напряженного труда тысяч людей, человеческие руки, вооруженные обыкновенными ножницами, мужество, воля, и взаимопомощь сделали то, чему вынуждена была подчиниться изощренная техника.
Еще сто лет тому назад К. Маркс рассматривал производительную деятельность человека прежде всего, как «трату человеческого мозга». Эта характеристика тем более справедлива в эпоху научно-технической революции, в эпоху стремительной интеллектуализации традиционно физического труда.
Отвечая на вопрос журналиста о том, какие открытия представляются наиболее значительными, и вероятными в ближайшем будущем, видный американский специалист по истории науки, и научно-технического прогресса, профессор Гарвардского университета Джеральд Холтон сказал:
- По-видимому, наиболее впечатляющие открытия произойдут не столько в физических науках, сколько в области психологии.
Комитет экспертов Научно-исследовательского центра американской «Рэнд корпорейшен» прогнозирует следующие направления, и сроки существенных открытий в изучении мозга 1) использование безвредных ненаркотических веществ для направленного влияния на поведение, и характер (1980 год); 2) принципиально новые методы лечения психических заболеваний (1980 - 1990 годы); 3) усиление мыслительных способностей с помощью химических стимуляторов (1980 - 1990 годы); 4) физико-химическое вмешательство в механизмы памяти (1990 - 2000 годы); 5) практическое использование анабиоза при длительных космических полетах (2000 - 2010 годы); 6) зональное гипнотическое воздействие с помощью технических средств (2035 год).
Прогресс современной нейрофизиологии зависит от использования новейших достижений химии, радиоэлектроники, электронной микроскопии, от применения вычислительных машин, и математического анализа экспериментальных фактов. Комплексный характер исследований высшей нервной деятельности служит объективной предпосылкой необходимости объединения многих ученых из разных стран. Больше десяти лет при ЮНЕСКО существует Международная организация по исследованию мозга (ИБРО). Эта организация, членами которой являются, и советские ученые, провела ряд интересных симпозиумов, в том числе конференцию, посвященную столетию выхода в свет книги И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга» - конференция состоялась в Москве в ноябре 1963 года (см. «Наука, и жизнь» № 12, 1963). ИБРО издает бюллетень с информацией о научных учреждениях, разрабатывающих проблемы нейрофизиологии, содействует поездкам молодых научных работников для стажировки, и повышения квалификации.
Отдавая должное полезной деятельности ИБРО, мы хотим подробнее рассказать о принципиально новом качестве, присущем недавно возникшей международной организации с кратким, и пока не очень понятным читателю названием «Интермозг»
ОТ ОБМЕНА РЕЗУЛЬТАТАМИ К ИНТЕГРАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
Полное имя этой организации звучит так Комиссия многостороннего сотрудничества академий наук социалистических стран по проблеме «Нейрофизиология, и высшая нервная деятельность». Комиссия была учреждена на совещании представителей академий наук в Бухаресте в сентябре 1971 года. Ответственность за координацию сотрудничества по проблеме взяла на себя Академия наук СССР, председателем комиссии был назначен ученик И. П. Павлова, директор Института высшей нервной деятельности, и нейрофизиологии АН СССР, член-корреспондент АН СССР Эзрас Асратович Асратян.
После всестороннего обсуждения были определены десять наиболее актуальных в теоретическом, и практическом отношении тем совместных научных исследований. Каждая из академий наук стран-участниц взяла на себя координацию исследований по теме, в разработку которой учеными данной страны внесен наиболее значительный вклад.
Заметим, что социалистические страны имеют свои богатые традиции, свои национальные нейрофизиологические школы, многие из которых получили международное признание научных центров мирового значения. Исследования сложных форм деятельности мозга в Польше (Институт экспериментальной биологии имени М. Йенского), изучение проблем памяти в Чехословакии (Институт физиологии Чехословацкой Академии наук), и в ГДР (Институт фармакологии в Магдебурге), анализ нервно гуморальных механизмов мотивации поведения в Венгрии (Институт физиологии университета в г. Печ) известны во всем мире.
Формы реализации сотрудничества по каждой из намеченных тем достаточно разнообразны. Здесь, и совместные эксперименты, и организация рабочих совещаний для обсуждения полученных результатов, и летние школы-семинары для молодых нейрофизиологов, обмен новейшими методическими приемами, и аппаратурой. В соответствии с рекомендациями 26-й сессии СЭВ проблемной комиссии предстоит разработать пятилетний план многостороннего сотрудничества на 1976 - 1980 годы.
Увлекательную задачу «коллективного думания»» (выражение И. П. Павлова) представит совместное прогнозирование исследований функций мозга до 1990 года.
В одной журнальной статье невозможно рассказать о содержании всех тем, включенных в двухлетний (1974 - 1975 годы) план «Интермозга», об ученых, и научных учреждениях, возглавивших разработку этих тем. Ограничусь потому краткой характеристикой только трех нейрофизиологических школ из братских социалистических стран, и назову имена, известные в любой нейрофизиологической лаборатории мира. Знаменательно, что все три проблемы, о которых пойдет речь, возникли в лабораториях И. П. Павлова, и до сих пор не получили своего исчерпывающего решения.
СТРАННЫЕ РЕФЛЕКСЫ
Подобно своему давнему коллеге, и другу Э. А. Асратяну, Ежи Конорский - ровесник учения об условных рефлексах, если вести летосчисление условно рефлекторной теории со дня знаменитой мадридской речи И. П. Павлова в 1903 году. Мы, советские ученые, называем этого известнейшего нейрофизиолога современности Юрием Маврикиевичем Конорским - так звали его коллеги, когда он еще работал в лаборатории Павлова, и во второй его приезд в нашу страну в грозные годы Великой Отечественной войны
Стремясь постичь механизмы приобретения новых связей живого мозга с окружающим миром, Павлов намеренно избрал наиболее простую форму условного рефлекса отделение слюны в ответ на ранее безразличный раздражитель, но который теперь несколько раз предшествует подаче кормушки (таким раздражителем могла быть загорающаяся лампочка, звонок). Вскоре, однако, стало ясно, что предвестником пищи могли стать не только вспышка лампочки или звонок, но, и сигналы, исходящие от органов тела самого потребителя пищи, например, от мышц, и суставов лапы подопытного животного. Именно такую возможность исследовали в конце 20-х - начале 30-х годов молодые польские физиологи Ю. Конорский и С. Миллер, сначала самостоятельно, а затем под непосредственным руководством И. П. Павлова.
Вместо того, чтобы зажигать лампочку, включать звонок, а затем подавать кормушку с пищей, Конорский и Миллер стали сгибать собаке одну из лап, а через несколько секунд открывать кормушку. Иными словами, нервные импульсы, идущие в мозг от сгибаемой конечности, от мышц, сухожилий, и суставов, стали постепенно играть такую же роль, как действие света на сетчатку глаза они превратились в сигнал предстоящего кормления.
После нескольких сочетаний сгибания лапы собаки с подачей пищи одно лишь движение конечности стало вызывать условное слюноотделение. Если процедуре сгибания, и кормления предшествовал, какой-либо внешний сигнал, то в ответ на него собака активно поднимала лапу, словно стремясь приблизить появление кормушки.
Выделение слюны можно было получить, и вливая в рот собаки слабый раствор кислоты. Вот здесь-то, и начали происходить вещи, не предусмотренные представлением о механизме условного рефлекса, как временной нервной связи между «центром сгибания лапы», и «центром слюноотделения»
Перед тем, как влить в рот собаки раствор кислоты, экспериментаторы всегда сгибали одну из ее лап. Каково же было их изумление, когда в ответ на предупредительный сигнал, за которым должна была следовать кислота, собака стала активно разгибать лапу. Но ведь этому ее никто не учил! Обнаружив, что вслед за сгибанием лапы идет неприятное раздражение кислотой, мозг животного стал «бороться» с предвестником кислоты.
До опытов Конорского термин «подкрепление» означал процедуру, в результате которой раздражитель (свет, звук, почесывание кожи, движение, и т. д.) приобретает новое, ранее несвойственное ему значение сигнала появления пищи, питья, боли, и т. п. Но если мы обучим собаку предотвращать движением лапы (предположим, нажимать на рычаг) болевое воздействие, о котором предупреждает звонок, животное месяцами (заметьте, месяцами!) будет избавлять себя от неприятностей, болевых раздражений, хотя они уже давно отменены экспериментатором.
После опытов Конорского стал понятен механизм поразительной стойкости некоторых симптомов невротических расстройств высшей нервной деятельности человека. Когда больной считает шаги, совершает строго определенные ритуальные действия, особым образом выходит из дома, и т. д., он делает это потому, что находится во власти ощущения, какой-то неведомой, грозящей ему беды, которая будто бы обязательно постигнет человека, если он не совершит всех необходимых ритуалов. С больным, разумеется, ничего не происходит, и это благополучие только сильнее закрепляет навязчивые действия, подтвердив их мнимую охранительную роль. Значит, надо бороться не с действиями, как таковыми, а с эмоцией страха, питающей причудливую систему охранительных ритуалов.
Вопрос о конкретных нервных механизмах активных двигательных условных рефлексов остается предметом острейших научных дискуссий. По мысли самого И. П. Павлова, в этих рефлексах большую роль играют «обратные условные связи» - распространение нервных импульсов от «центров» голода, жажды, боли к отделам мозга, хранящим следы тех сигналов, которые ранее предупреждали животное о пище, воде, устранении болевого раздражения.
Э. А. Асратян недавно назвал эти рефлексы «каузальными» (причинными). В самом деле, оставаясь пассивным регистратором внешних событий, как это имеет место в классических павловских слюнных условных рефлексах, мозг может уловить лишь временные связи между событиями («после звонка будет пища»). Только вмешавшись своими действиями в ход событий («пища появится, если я подниму рычаг, и не появится, если рычаг останется на прежнем месте»), высшие животные и человек способны постичь причинно-следственные связи между событиями окружающего мира.
Иными словами, роль практики, как критерия истинности знаний о мире, универсальна, и обнаруживает себя уже на до-человеческих этапах эволюции отражательной деятельности мозга.
Книги Конорского переведены на многие языки. Они издавались в Варшаве и Москве, в Оксфорде и Чикаго. В его лабораторию приезжали учиться нейрофизиологи США, Англии, Франции, Мексики и Австралии. Отдавая должное исследованиям академика Конорского, и его учеников, комиссия «Интермозга» просила Институт экспериментальной биологии имени М. Йенского взять на себя функции головного учреждения по теме «Интегративная деятельность большого мозга». Эта тема предполагает изучение особенно сложных форм поведения животных.
ГДЕ ФОРМИРУЮТСЯ И ХРАНЯТСЯ НОВЫЕ НЕРВНЫЕ СВЯЗИ?
Слой нервных клеток на поверхности больших полушарий головного мозга достиг особого развития только у высших млекопитающих животных, и у человека - вот почему он получил название «новой коры»
Представление о новой коре, как органе формирования, и хранения условных рефлексов сложилось в ходе опытов, когда хирургическим путем удаляли этот самый молодой отдел головного мозга. Впрочем, чудовищно грубое вмешательство в жизнь мозга сопровождается такими глубокими изменениями в состоянии оставшихся отделов мозга, что судить об их возможностях у бескорковых животных можно только в самом первом приближении. Вот почему нейрофизиологи десятилетиями ищут все новые и новые способы обратимого выключения коры больших полушарий с помощью охлаждения, временного обескровливания или химических воздействий.
Чешские физиологи Ян Буреш и Ольга Бурешова использовали в этих целях так называемую распространяющуюся депрессию Леао. Если к поверхности обнаженного участка мозга приложить фильтровальную бумагу, смоченную 25-процентным раствором хлористого калия, кора больших полушарий окажется выключенной на 2 - 3 часа. О временном бездействии коры свидетельствует исчезновение ее нормальной электрической активности при записи электроэнцефалограммы. Депрессия не распространяется на второе полушарие, так, что экспериментатор может «обучать» только половину мозга, в то время, как вторая половина находится в состоянии глубокого угнетения. Этот методический прием Буреш и Бурешова блестяще использовали для определения роли различных отделов мозга в формировании, и хранении новых условных рефлексов.
В свое время Павлов остро интересовался тем предельным интервалом между условным раздражением (сеет, звонок), и его подкреплением (пища), при котором еще образуется нервная связь. Оказалось, что такой интервал исчисляется минутами. Вместе с тем биологи давно знают поразительный «эффект приманки», когда животное, однажды отведав отравленной пищи, избегает ее даже в том случае, если между едой, и первыми симптомами отравления проходят часы. Ольга и Ян Буреш воспроизвели «эффект приманки» в точном лабораторном эксперименте.
Крысе дают раствор сахарина, а через 30, 45, 60 минут вводят ядовитый, но не смертельный хлористый литий. Если в следующий раз животное начинает отказываться от сладкого питья, значит, в его мозгу замкнулась связь между вкусом сахарина, и состоянием отравления. Постойте, но ведь, когда крыса пила сахарин, она не знала, что вслед за ним ей введут хлористый литий! Между питьем сахарина, и отравлением произошло много других событий. Почему крыса избегает сахарин, но продолжает пить воду?
Вывод первый почувствовав неладное, мозг обладает способностью задним числом просмотреть события, ранее ничем не примечательные, и выделить на экране памяти то, что предположительно могло бы стать сигналом опасности. Так прошлое становится ориентиром поведения в лабиринтах возможного будущего.
Выключим распространяющейся депрессией кору обоих полушарий, введем в рот животного сахарин, а затем отравим его хлористым литием. Крыса, как ни в чем не бывало будет пить сладкий раствор. Вывод второй кора головного мозга совершенно необходима для замыкания новой условной связи.
Теперь дадим крысе пить сахарин, а отравление вызовем у нее только после выключения коры больших полушарий. Рефлекс налицо! Отсюда следует третий важнейший вывод информация вводится в мозг только через кору, но, будучи введена, она может взаимодействовать со следами событий, хранящимися в глубоких, ниже коры расположенных отделах центральной нервной системы (именно глубинные отделы мозга зафиксировали отравление).
И последний эксперимент. Выключим одно левое полушарие. Обучим крысу избегать сахарин через работающее правое полушарие, а затем подавим это полушарие до «пробуждения» левой половины мозга. «Проснувшись», левое полушарие отвергает сахарин, как предвестник будущего отравления. Откуда левое полушарие знает о связи сахарина с хлористым литием? Ведь оно не могло научиться у правого полушария, потому, что «проснулось» после погружения правой половины мозга в состояние депрессии. Вывод четвертый новая нервная связь, сформированная с помощью коры правого полушария, была затем сдана на хранение в срединные подкорковые отделы мозга, а позднее извлечена оттуда «проснувшейся» корой левой половины мозга.
Был ли прав Павлов, придававший столь важное значение новой коре больших полушарий? Да, он был прав, потому, что новая кора - единственный канал, через который информация вводится в мозг высших млекопитающих. Но кора не хранилище новых условных связей, а подкорковые структуры не просто энергетическая база при новой коре. Реальная специализация различных отделов мозга гораздо сложнее, тоньше, и причудливее, чем схоластические дискуссии пятидесятых годов «кора или подкорка»? Мы сможем приблизиться к уяснению этой реальной сложности строения, и функций мозга только с позиций системного подхода, который ставит во главу угла не печально знаменитое «или-или», но стремление определить роль каждого элемента системы в осуществлении интегративной деятельности, направленной на удовлетворение жизненных потребностей организма.
Лаборатория Яна Буреша в Институте физиологии Чехословацкой Академии наук - сегодня один из мировых центров разработки проблемы памяти. На втором годичном заседании «Интермозга» в Праге (июнь 1973 года), посвященном 70-летию учения об условных рефлексах, Ян Буреш сделал доклад о роли подкорковых отделов мозга в образовании, хранении, и осуществлении новых временных связей. Пожелаем ему новых успехов на трудном пути пионеров исследования мозга.
ДИАЛЕКТИКА НОВИЗНЫ
Институт физиологии в городе Печ (Венгерская Народная Республика) координирует в «Интермозге» изучение нервных, и нервно-гуморальных факторов мотивации поведения. Этот выбор определяется тем большим вкладом, который внес в разработку проблемы мотиваций, и эмоций академик К. Лишшак со своими сотрудниками - Е. Граштьяном, Е. Ендроцци и другими.
Слово «мотивация» сразу же ассоциируется с теми формами поведения, которые побуждаются сигналами из внутренней среды организма голод, жажда, половое влечение. Большой заслугой К. Лишшака и Е. Граштьяна является исследование мотивации ориентировочного рефлекса, рефлекса «что такое?», возникающего при появлении нового внешнего раздражителя. Впрочем, точное ли это определение «ориентировочная реакция - реакция на новизну»?
В 1965 году Лишшак и Граштьян сообщили о простом, но поразительном по своим результатам опыте. Если выдержанной в изоляции кошке предложить действительно новый (то есть невиданный, ранее не встречавшийся в ее жизни) сигнал, он. не вызовет у животного ориентировочного рефлекса! В чем здесь дело? Любой звук обладает присущими ему физическими характеристиками громкостью, высотой, тембром, и т. д. Но новизна не есть нечто, присущее звуку, как физическому явлению. Новизна возникает только в процессе сравнения с чем-то «старым», известным, похожим, и вместе с тем отличным от действующего стимула. По определению советского ученого Е. Н. Соколова, ориентировочный рефлекс - реакция на рассогласование хранящейся в мозгу нервной модели сходного стимула с наличным раздражителем.
Лишшак и Граштьян обратили внимание еще на один факт новые и, казалось бы, одинаково безразличные (не вредные, и не полезные) для животного стимулы вызывают весьма различные изменения электрической активности мозга (см. рис.). В одном случае, например, при действии незнакомого звука происходит активация (так называемая десинхронизация), и в новой коре, и в старой коре (гиппокампе) головного мозга. Сравнительно медленные волны с высокой амплитудой заменяются частыми, низкоамплитудными колебаниями биоэлектрических потенциалов. В другом случае, например, когда кошка впервые видит себя в зеркале, активация новой коры сочетается с медленными, высокоамплитудными колебаниями электрических потенциалов гиппокампа (так называемый тета-ритм).
Систематические исследования венгерских ученых позволили установить следующее:
1. Те или иные сдвиги электрической активности мозга зависят от степени новизны действующего стимула очень новые раздражители (незнакомый звук) ведут к одновременной активации новой, и старой коры. Более знакомые раздражители (собственное отражение в зеркале) генерируют тета-ритм в гиппокампе.
2. Активация (десинхронизация) электроэнцефалограммы гиппокампа часто сочетается с тенденцией животного устраниться от внешнего воздействия, прервать его. Тета-ритм в гиппокампе характерен для стремления продолжить контакт с новым стимулом, исследовать, и понять это изменение в окружающей среде.
В 1959 году американский исследователь Т. Шнейрла предложил «двухфазную теорию мотивации», согласно которой умеренная новизна привлекательна для молодых птиц, животных, и детей, вызывает у них любопытство, и признаки исследовательского поведения. Слишком новое - пугает, и настораживает. Теперь мы можем в полной мере оценить непригодность формальной (шенноновской) теории информации для понимания законов деятельности мозга. Благодаря длительной эволюции мозг запрограммирован так, что очень новое (то есть объективно неопределенное) воспринимается животными, и людьми, как субъективно определенный сигнал возможной опасности.
Итак, мы приходим к выводу о том, что единого, универсального ориентировочного рефлекса вообще не существует в природе. «Ориентировочный рефлекс» есть родовое понятие по крайней мере для двух групп реакций 1) исследовательских, направленных на уточнение представлений об окружающем мире, и 2) превентивно оборонительных, названных Павловым «рефлексом биологической настороженности». Иными словами, даже при встрече с новыми «безразличными» раздражителями мозг не ведет себя, как зеркало, пассивно дублирующее действительность, но обнаруживает признаки предвзятого, заинтересованного отражения, которое на высших ступенях эволюции становится «желающим сознанием» человека.
Принцип рефлекса, служивший нейрофизиологии на протяжении трех столетий, все чаще предстает, как «принцип радара», где отражение внешних объектов, и связей между ними возникает вторично при контакте этих объектов с прощупывающим действительность «лучом» активного поиска.
Мы рассказали только о трех направлениях поисков, намеченных программой «Интермозга», избрав такие темы, в разработке которых нейрофизиологи трех социалистических стран занимают лидирующее положение в мировой науке. Мы ничего не сказали о последних достижениях советских ученых, поскольку об этом читатель получает систематическую информацию, в том числе на страницах журнала «Наука, и жизнь». Повседневный поиск истины характеризует обстановку на переднем крае современной нейрофизиологии. Сегодня это уже не «полк моих дорогих сотрудников», как называл своих соратников Павлов, а дивизии исследователей мозга семи братских стран - боевой отряд международной армии ученых.
Продвижение в глубины «второй Вселенной» продолжается. Вот почему вслед за «Интеркосмосом» необходимо, и закономерно появился «Интермозг»
