Иерархия мозга: структуры и поведенческие функции

Мозг представляет собой результат длительного периода эволюционного развития. Человеческий мозг подобен живому археологическому памятнику, где более новые структуры построены поверх структур, уходящих корнями в далекое эволюционное прошлое (Striedter, 2005). Структуры в центре мозга, которые мы разделяем со всеми другими позвоночными, управляют базовыми физиологическими функциями, поддерживающими жизнь, такими как дыхание и частота сердечных сокращений.

На этих базовых структурах построены более новые системы, отвечающие за все более сложные функции — восприятие, эмоции, желания, мышление и рассуждение. Эволюционные теоретики считают, что по мере того, как генетические вариации формировали эти новые структуры, естественный отбор способствовал их сохранению, поскольку животные, обладающие ими, имели больше шансов выжить в постоянно меняющихся условиях.

Основные структуры человеческого мозга и их психологические функции показаны на рисунке 4.13, а более подробную информацию о многих аспектах неврологии можно найти в таких книгах, как Sylvius Interactive Brain Anatomy Dictionary. Традиционно мозг делится на три основные части: задний мозг, средний мозг (расположенный над задним мозгом) и передний мозг.

Рис. 4.13. Внутренняя часть мозга. На фотографии показан человеческий мозг, разрезанный по средней линии. Рисунок показывает структуры мозга, как они выглядели бы, если бы левая сторона мозга была прозрачной, что позволяло бы видеть среднюю линию

Задний мозг. Задний мозг — это самый нижний и наиболее примитивный уровень мозга. Когда спинной мозг входит в мозг, он расширяется, образуя структуры, которые составляют часть ствола мозга, напоминающего стебель. К заднему мозгу также относится мозжечок.

Продолговатый мозг и мост: системы жизнеобеспечения. Структуры ствола мозга поддерживают жизненно важные функции. К ним относятся продолговатый мозг и мост. Продолговатый мозг, длиной 3,8 см, является первой структурой над спинным мозгом. Хорошо развитый при рождении, он играет важную роль в таких жизненно важных функциях, как частота сердечных сокращений и дыхание. Благодаря продолговатому мозгу эти функции происходят автоматически. Повреждение продолговатого мозга обычно приводит к смерти или, в лучшем случае, к необходимости поддерживать жизнь с помощью искусственных систем. Подавление активности продолговатого мозга может происходить при сильном алкогольном опьянении, что приводит к смерти из-за остановки сердца или дыхания (Blessing, 1997).

Продолговатый мозг также служит двусторонним "шоссе" для всех сенсорных и моторных нервных путей, идущих от спинного мозга и спускающихся от мозга. Большинство этих путей перекрещиваются в продолговатом мозге, поэтому левая сторона мозга получает сенсорную информацию от правой стороны тела и контролирует ее движения, а правая сторона мозга обслуживает левую сторону тела.

Мост (от латинского pons — "мост") расположен чуть выше продолговатого мозга и служит ретранслятором сенсорной информации между корой головного мозга и мозжечком. В мосту также находятся скопления нейронов, которые помогают регулировать сон. Как и продолговатый мозг, мост помогает контролировать жизненно важные функции, особенно дыхание, и его повреждение может привести к смерти.

Мозжечок: центр координации движений. Мозжечок (от латинского cerebellum — "маленький мозг"), прикрепленный к задней части ствола мозга, действительно выглядит как миниатюрный мозг. Его извилистая кора состоит в основном из серого вещества (тел нейронов). Удивительно, но, несмотря на свои размеры, мозжечок содержит больше нейронов, чем остальная часть мозга.

Традиционно считается, что основная роль мозжечка заключается в координации движений. Конкретные двигательные движения инициируются в высших центрах мозга, но их timing и координация зависят от мозжечка (De Zeeuw & Cicirata, 2005; Sokolov et al., 2017). Мозжечок регулирует сложные, быстро меняющиеся движения, требующие точного времени, такие как движения балерины или пианиста.

Функции контроля движений мозжечка легко нарушаются под действием алкоголя, что приводит к проблемам с координацией, которые полиция часто проверяет в тестах на трезвость. Опьяненные люди могут быть неспособны идти по прямой линии или коснуться носа указательным пальцем. Физическое повреждение мозжечка приводит к серьезным двигательным нарушениям, характеризующимся резкими, несогласованными движениями, а также неспособностью выполнять привычные действия, такие как ходьба.

В последние годы исследователи начали задумываться о более широких ролях мозжечка (например, De Zeeuw et al., 2021), и исследования с визуализацией мозга выявили его участие во многих когнитивных процессах, от языка до социального познания и регуляции эмоций. Одна из теоретических гипотез заключается в том, что "то, что мозжечок делает для сенсомоторного и вестибулярного контроля, он также делает для познания, эмоций и вегетативных функций" (Schmahmann, 2019, стр. 62). Таким образом, идея заключается в том, что мозжечок регулирует скорость и характер как двигательных, так и когнитивных процессов.

Средний мозг. Средний мозг, расположенный чуть выше заднего мозга, содержит скопления сенсорных и моторных нейронов. Сенсорная часть среднего мозга включает важные релейные центры для зрительной и слуховой систем. Здесь нервные импульсы от глаз и ушей организуются и отправляются в структуры переднего мозга, участвующие в зрительном и слуховом восприятии (Nolte, 2002). Средний мозг также содержит моторные нейроны, контролирующие движения глаз. Некоторые из экзотически названных структур среднего мозга включают ретикулярную формацию, тектум (включая верхние и нижние холмики) и черную субстанцию.

Ретикулярная формация: страж мозга. Внутри среднего мозга находится структура, напоминающая по форме палец, которая простирается от заднего мозга до нижних частей переднего мозга. Свое название она получила из-за сходства под микроскопом с сетью (ретикулумом). Ретикулярная формация действует как своего рода страж, который предупреждает высшие центры мозга о поступающих сообщениях, а затем либо блокирует их, либо пропускает дальше. Ретикулярная формация имеет восходящую часть, которая отправляет входные данные в высшие области мозга, чтобы предупредить их, и нисходящую часть, через которую высшие центры мозга могут либо допустить, либо блокировать сенсорные входные данные.

Ретикулярная формация играет центральную роль в сознании, сне и внимании. Без стимуляции ретикулярной формацией высших областей мозга сенсорные сообщения не регистрируются в сознании, даже если нервные импульсы достигают соответствующих высших областей мозга. Это похоже на то, что мозг недостаточно "проснулся", чтобы заметить их. Фактически, некоторые общие анестетики работают, деактивируя нейроны восходящей ретикулярной формации, так что сенсорные импульсы, которые обычно воспринимались бы как боль, никогда не регистрируются в сенсорных областях мозга (Simon, 2007).

Ретикулярная формация также влияет на сон и бодрствование. Исследователи обнаружили, что электрическая стимуляция различных частей ретикулярной формации может мгновенно вызвать сон у бодрствующей кошки и внезапное пробуждение у спящего животного (Marshall & Magoun, 1997). Серьезное повреждение ретикулярной формации может привести к постоянной коме (Pendlebury, 2007).

Внимание — это активный процесс, во время которого только важные или значимые сенсорные входные данные попадают в наше сознание. Другие входные данные должны быть приглушены или полностью заблокированы, иначе мы будем перегружены стимуляцией. Нисходящая ретикулярная формация играет важную роль в этом процессе, служа своего рода воротами, через которые одни входные данные допускаются, а другие блокируются сигналами, поступающими из высших центров мозга (Van Zomeren & Brouwer, 1994).