Мозг и его потребности 2.0. От питания до признания

Рис. 10.3. На верхней схеме показана принципиальная организация системы, управляющей дыханием человека. Центры вдоха (инспираторные) и выдоха (экспираторные) находятся в продолговатом мозге и мосту. Запуск вдоха реализуют нейроны-пейсмекеры («генератор ритма»), передающие импульсы на замкнутый контур нервных клеток (схема внизу), после чего сигнал поступает на мотонейроны спинного мозга. На следующем этапе активируются мотонейроны спинного мозга, запускающие сокращение дыхательных мышц. На работу данной системы значительное влияние оказывают хеморецепторы кислорода и углекислого газа

На нейроны-пейсмекеры, генераторы дыхательного ритма, мощно воздействуют сигналы из внутренней среды организма, прежде всего это информация о химическом составе крови от хеморецепторов. Речь идет о таких колоссально важных показателях, как уровень кислорода и концентрация углекислого газа в плазме. Кроме того, на нейросети, обеспечивающие вдох, влияют общий уровень бодрствования (достаточно нам проснуться – и частота дыхания повышается до 16–20 раз в минуту), эмоции, стресс, боль, температура тела.

Возможен и произвольный контроль процесса дыхания, поскольку вдохом-выдохом занимаются вполне стандартные мотонейроны, а не вегетативные нервные клетки. Сюда природа нам «разрешила» влезать, не опасаясь, что мы чего-нибудь натворим. Если работой сердца мы не можем управлять, то диафрагмой и межреберными мышцами – запросто: захотел – вдохнул, захотел – выдохнул. Это играет важную роль для того, чтобы говорить: наша речь, произнесения фонем основаны на непрерывной и сложной работе с дыханием.

Но, как вы уже знаете, в действительности все несколько сложнее. Например, вдох – это довольно длительный процесс, мы вдыхаем примерно полсекунды или даже секунду. А нейроны-пейсмекеры выдают импульсы очень короткое время – раз, и все дружно отработали за 5–10 миллисекунд. Как этот короткий залп превратить в длинный вдох? Для этого в дыхательном центре есть специальные замкнутые контуры из нервных клеток. Когда пейсмекеры в этот контур вбрасывают импульсы, разряды нейронов зацикливаются, и дальше возбуждение может некоторое время существовать внутри контура (см. рис. 10.3, схема внизу). Параллельно оно «сбрасывается» на спинной мозг, и вдох длится, длится и длится. Иными словами, наличие такого инспираторного контура дает возможность оказывать на мотонейроны шейных и грудных сегментов стабильное активирующее действие. Ситуация циркуляции информации в цепочке нейронов, по сути, – простейший пример формирования и сохранения памяти. Работа именно этих нейронов, зацикливающих импульсы пейсмекеров, затем тормозится сигналами от растянувшихся легких. В итоге вдох прекращается и начинается выдох.

Разберемся теперь, зачем организму реагировать на концентрацию углекислого газа в крови. CO₂ в большом количестве появляется в нашем организме прежде всего при физической нагрузке. Например, кто-то начал активно приседать, отжиматься или бодро подниматься по лестнице на 15 этаж. Мышцы при этом потребляют кислород, выделяют углекислый газ, и, чтобы не задохнуться, человеку необходимо дышать чаще и глубже. Информация о концентрации углекислого газа в крови снимается непосредственно нейронами продолговатого мозга. В состав инспираторных центров входят клетки-хеморецепторы, которые анализируют, сколько в крови CO₂, и при его избытке дыхание становится интенсивнее в 10–15, а то и 20 раз. То есть пейсмекеры начинают генерировать импульсы с меньшим временным интервалом (частота дыхания при этом может доходить до 30–40 раз в минуту). Одновременно инспираторные контуры, удлиняющие вдох, оказываются более возбужденными, и торможение их активности происходит при более высоком уровне растяжения легких (объем каждого очередного вдоха возрастает с 0,5 до 2–3 литров, и это не предел).

Но дыхание настолько важно для организма, что рецепторами внутренней чувствительности измеряется не только концентрация углекислого газа, но еще и кислорода. Понятно, что когда пытаешься одолеть 15 этажей лестницы, параллельно повышается содержание в крови CO₂ и снижается O₂. Казалось бы, зачем измерять кислород, ведь вполне достаточно углекислого газа? Но нет. Дело в том, что на земле существует весьма распространенная тяга к приключениям, а именно – к восхождению в горы. Если вы поднимаетесь на 1–2 км, то воздух там уже несколько разрежен, а на высоте 5 км его просто в два раза меньше, чем на равнине. При этом углекислого газа в крови больше не станет, а вот кислорода окажется «на донышке». В этом случае нужно учащать дыхание, ориентируясь уже на кислород. Поэтому у нас в аорте, в каротидном синусе, находящемся на разветвлении наружной и внутренней сонных артерий, располагаются нервные волокна – хеморецепторы О₂. Они обеспечивают организму возможность адаптации в случае подъема в горы, не говоря уже о том, что немалая часть населения планеты и так живет на высоте километр-два над уровнем моря, и даже больше.