Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

Представьте проходящий через нейрон импульс как волну от всплеска на воде, двигающуюся по узкому руслу ручья. И стенки аксона, и берега ручья выступают в качестве волноводов — направляют импульсы по заданному маршруту. Может показаться, что волны этих двух типов ничем друг от друга не отличаются. Однако импульсы, без которых невозможно распространение сигналов по всему телу, представляют собой не физические колебания, а изменение напряжения в результате химических реакций в нейронах.

Но эти электрические волны характеризуют действие не только нейронов нервной системы, посылающих импульсы мозгу и получающих его команды, но и нейронов самого мозга. Ваш мозг, будучи средоточием центральной нервной системы, представляет собой сложную сеть нейронов, каждый из которых является волноводом, проводящим электрохимические импульсы из одного конца в другой.

Правда, существуют и гораздо менее осязаемые мозговые волны. Это не связи между нейронами, а полосы активности, проходящие через широкие области мозга — точь-в-точь волны, бегущие по пшеничному полю в ветреный день. Полосы активности представляют собой не импульсацию нейронов, а ее предварительную фазу.

Когда нейрон деполяризуется, вероятность его импульсации увеличивается. Возникает ассоциация с перевозбужденным человеком, который вот-вот сорвется на крик. В ходе исследований возникло предположение: работа мозга млекопитающих в определенной мере зависит от проходящих через мозг волн возбуждения.^{21} Волны проходят через участок мозга, приводя нейроны этого участка в состояние, близкое к импульсации. Можно сравнить это с волнами оживления, пробегающими среди публики в концертном зале перед появлением на сцене музыкальной группы: каждый готов крикнуть музыкантам слова приветствия, выбросить в воздух руку, задвигаться в танце…

Но почему волны деполяризации возникают в мозгу животных? И как испускаемые возбужденными нейронами волны выглядят?

* * *

Поразительный факт: нейробиологи могут наблюдать эти волны, которые, проходя через совсем небольшие участки мозга при вскрытом черепе подопытного животного под анестезией, вызывают изменение цвета. Волны становятся видимыми благодаря контрастному веществу. Контрастное вещество вступает в связь с нейронами и меняет оттенок в зависимости от потенциала поля — электрической величины, демонстрирующей степень готовности нейронов к импульсации. Это контрастное вещество и делает видимыми волны возбуждения, распространяющиеся по поверхности мозга. Высокая скорость волн фиксируется цифровой камерой, которая регистрирует изменение оттенка контрастного вещества на области мозга шириной около 3 мм (череп животного при этом вскрыт). Само контрастное вещество используют уже более тридцати лет, однако фотографическое оборудование только недавно достигло такого уровня чувствительности, при котором стало возможным изучение движения волн. Оказывается, волны, распространяясь через мозговую ткань, принимают уже знакомые нам формы.

«В результате наблюдений мы пришли к выводу, что по своей форме волны делятся на два основных типа», — пояснил профессор У Цзяньюн из Медицинского центра Джорджтаунского университета в Вашингтоне. Он использовал контрастное вещество для изучения мозговых волн крыс. «Первый тип — круговая волна, второй — вращающаяся, или спиральная, волна».

Погодите! Разве не эти же волны, распространяясь по мышечной ткани сердца, вызывали аритмию? Похоже, в случае с мозговой тканью они не представляют опасности, уж слишком они слабы. Более того, профессор У считает, что волны этих двух типов лежат в основе мозговой деятельности млекопитающих. Волны были замечены на поверхности многих областей неокортекса — внешнего слоя мозга животных. Неокортекс участвует в высшей деятельности головного мозга, например в обработке информации, поступающей от органов чувств, в движении тела, мышлении и, если речь идет о человеке, в использовании языка.

«Волны наблюдались в ходе реализации почти всех корковых процессов, что было выявлено посредством картирования с использованием потенциалчувствительных меток», — рассказал мне профессор У. Эти волны могут распространяться по поверхности неокортекса самых разных животных: черепах, морских свинок, саламандр, обезьян… Они проявляются у высших животных при воздействии на органы обоняния, слуха, зрения или при соприкосновении с вибриссами.