Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Семинары: Тема 11. Развитие нервной системы и головного мозга(с. 45 – 46)

Нервная система высших (позвоночных) животных, к которым относится и человек, делится на центральную нервную систему (ЦНС, включающую головной и спиной мозг) и периферическую (внемозговую) нервную систему (ПНС), которая, в свою очередь, делится на соматическую и вегетативную (автономную) нервные системы и представляет собой сложный и разветвленный комплекс нервов – нервных волокон и оболочек соединительной ткани шнуровидной формы. ПНС соединяет ЦНС с органами и системами тела и обеспечивает прохождение по ним нервных импульсов, с помощью которых происходит управление и регулирование всеми функциями и реакциями организма. Нервные волокна – это отростки нервных клеток (нейронов, или нейроцитов), окруженные особыми глиальными клетками, подобно тому, как провода электрической сети окружены изолирующей оболочкой.

Нейрон(нервная клетка) – структурная и функциональная единица нервной системы, состоит из основного тела с ядром и многочисленных отростков, среди которых выделяют длинныйаксонс короткими разветв-лениями на конце и более короткие и ветвистыедендриты. Длина нейрона лежит в пределах от нескольких микрометров до полутора метров. Нейроны не переходят друг в друга и не сливаются, но контактируют между собой и с другими типами клеток через тонкие промежутки –синапсы, которые могут находиться в двух состояниях, пропуская или не пропуская электрические сигналы по принципу «все или ничего». Контакт (прохождение нервного импульса через синапс) осуществляется впрыскиванием в промежуток особых биологически активных веществ –нейромедиаторов, к числу которых относятся ацетилхолин, норадреналин, некоторые аминокислоты, пептиды и др. Таким образом, природа активности мозга (она не прекращается и во сне) электрохимическая. Нейроны мозга могут иметь от нескольких сотен до двух тысяч синапсов, что обеспечивает возможность образования самых разнообразных и пластичных нейронных сетей.

Появление и усложнение нервной системы в процессе эволюции живых организмов характерно именно для животных. Растения, грибы и простейшие нервной системы не имеют. Для эволюции позвоночных животных наблюдается также процесс цефализации(термин введен американским натуралистомXIXв. Д. Дана).

Цефализация– обособление головы, количественный и качественный рост головного мозга, усиление его роли во всех процессах жизнедеятельности организма.

Нервная регуляция появляется впервые у кишечнополостных (напр., медузы, коралловые полипы), которые обладают простейшим диффузнымтипом нервной системы, состоящей из относительно простого переплетения нервных клеток, расположенных непосредственно под поверхностным слоем тела, и создающей общую (тотальную) реакцию организма на любое локальное возбуждение. Мозга даже в зачаточном состоянии еще нет. Появление новых типов беспозвоночных сбилатеральнойсимметрией (черви, в дальнейшем членистоногие) сопровождается трансформацией нервной системы в узловой (ганглиозный) тип, когда нервные клетки группируются в нескольких нервных узлах (ганглиях), связанных между собой, что обусловлено также сегментацией тела животного. Наиболее крупный узел обычно расположен в передней части тела у ротового отверстия, его можно рассматривать как аналог головного мозга позвоночных. От мозгового ганглия отходят несколько продольных стволов (в простейшем случае двух), которые соединяются между собой кольцевыми перемычками. В целом такая нервная система может иметь вид более или менее правильной цилиндрической решетки. Разделение ЦНС и ПНС наблюдается уже у круглых червей.

У позвоночных (они все билатерально симметричны) нервная система формируется в виде сплошной нерв-ной трубки, которая располагается продольно в спинной части тела внутри позвоночного столба и является также источником образования периферических нервных узлов. Зачаток головного мозга можно наблюдать уже у простейших хордовых. Характерно, что мозг – наиболее защищенный орган животных с внутренним скелетом, так как он находится внутри твердых костных структур – черепа и позвоночника.

Дальнейшая эволюция мозга высших животных определяется: 1) дифференциацией старых и появлением новых отделов мозга; 2) увеличением объема и массы мозга; 3) совершенствованием органов зрения, слуха и обоняния; 4) «напластованием» новых отделов на старые. У амфибий впервые происходит разделение головного мозга на два полушария; у рептилий появляется кора(«плащ» мозга); у птиц увеличиваются полу-шария имозжечек, управляющий движением и ориентацией в пространстве; у млекопитающих развиваются извилины и борозды новой коры (неокортекса), нейронные сети, происходит специализация нейронов. Наивысшего развития головной мозг достигает у человекообразных обезьян и у человека.

Основные характеристики мозга человека. 1) Объем от 900 до 2000 см³, средний объем – 1375 см³ у мужчин и 1275 см³у женщин; для сравнения средний объем мозга шимпанзе – 450 см³. Средняя масса принимается равной 1,35 кг (у слона 4 кг, у кита 2,8 кг). Отношение массы мозга к массе тела у человека самое большое из всех животных. 2) Рост объема мозга от момента рождения до зрелого состояния у человека также самый большой из всех живородящих животных – почти в 4 раза. Это говорит о том, что именно мозг является самым молодым и наиболее быстро развивающимся в эволюционном отношении органом у высших животных. 3) Преобладающую часть (80%) головного мозга у человека составляет неокортекс, толщина ее изменяется от 1,5 до 5 мм, общая площадь поверхности коры ~84 тыс. см²(у шимпанзе 25 тыс. см²), наиболее развиты лобные доли коры (по объему лобные доли у шимпанзе почти в 3 раза меньше). Именно лобные доли – самые молодые отделы мозга, это своего рода «штаб» мозга, регулирующий работу всех других его отделов, а также абстрактное мышление, присущее только человеку. 4) По составу мозг человека на 75% состоит из воды, остальные 25% – это белки, нуклеиновые кислоты и липиды. 5) Кровоснабжение головного мозга более интенсивно, чем любого другого органа, около 15% крови, проходящей по большому кругу кровообращения, поступает в кровеносные сосуды мозга, что обеспечивает наивысшую интенсивность процессов метаболизма в тканях мозга. Такое кровообращение поддерживается и во время сна. Около 20% всего кислорода, получаемого организмом при дыхании, потребляется мозгом. 6) Мозг человека содержит около 20 млрд. нервных клеток (у шимпанзе ~1 млрд., у осьминога 200 млн., у пчелы 800 тыс.). Это позволяет человеческому мозгу образовывать значительно больше связей между нейронами и формировать более сложные сети, чем у других животных.

Отношение массы мозга к массе тела и количество нервных клеток может служить объективным показателем уровня «интеллекта» того или иного вида живых организмов, что определяет и сложность его поведения, и уровень адаптации. В этом отношении человек находится, конечно, вне конкуренции. Но дело не только в указанных показателях, эффективность работы мозга определяется главным образом характером и количеством возможных взаимосвязей нервных клеток между собой. Именно с мозгом связывают и память, идушучеловека.

Памятьрассматривают как способность живого организма закреплять, сохранять и при необходимости воспроизводить информацию, полученную в процессе жизнедеятельности. Информация также теряется (забывается), когда она «уходит из памяти». В этой связи память также ассоциируется с той информацией, которой располагает организм. С памятью связан и «смысл» информации. Для младенца информация печатного текста «не имеет смысла», поскольку в его памяти она никак не связана с какими-либо другими процессами в окружающем мире. На основе памяти организм строит свое поведение в настоящем, используя опыт прошлого. Можно утверждать, что память присуща всему живому, более того, что память – необходимый атрибут жизни. Существенно также, что основные принципы усвоения и хранения информации одинаковы для всех биологических систем. Для высших организмов память (помимо всего прочего) – важнейшая функция и атрибут ЦНС (мозга).

Различают видовую(наследуемую) ииндивидуальную(приобретаемую в течение жизни) память. Первая из них определяется информацией, записанной в молекулах ДНК и реализуется на уровне клеток в процессах их жизнедеятельности и воспроизведения. Вместе с тем она определяет структуру и возможности мозга, т. е. возможный объем и содержание индивидуальной памяти, таким образом, видовая память – основа индивидуальной. Видовая память сохраняется на протяжении жизни многих поколений, пока существует вид, что соответствует общей сохранности генотипа, который практически не зависит от действий и судьбы отдельной особи. Со смертью вида эта память исчезает, хотя и может быть частично передана другим видам.

Индивидуальная память материализуется в биохимическом состоянии нейронов и их взаимосвязей, т. е. в структурной организации мозга данной особи. Она существует, пока сохраняются соответствующие структуры и со смертью особи в этой форме полностью исчезает. Но она также может быть частично сохранена, если информацию «переписать» на другую материальную основу, напр., в виде фотографии, кино, произведений искусства и литературы. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что информация не существует без подходящей материальной основы («носителя»). По мере развития культуры человек, как и компьютер, все больше использует также внешнюю память, находящуюся вне его организма.

Индивидуальную память делят на кратковременную и долговременную. Первая из них имеет малую емкость и сохраняет информацию в течение 30 – 60 с, после чего может быть переведена в долговременную или забыта. К этой же информации относят и «мгновенный отпечаток», который сохраняется доли секунды и воспроизводит полную картину мира, даваемую органами чувств, но не фиксируемую сознанием.

Долговременная память, сохраняющаяся практически в течение всей жизни, есть основа человеческой личности, которая начинается сосознаниячеловеком самого себя и своего места в мире. Чем больше информации человек сохраняет в долгосрочной памяти (запоминает), тем богаче его личность. В свою очередь,сознаниеесть результат работы мозга и особое его состояние, так или иначе связанное с памятью. Напр., сознание «выключается» и как бы перестает существовать во время сна или в состояниях аффекта, но память при этом остается. Говорят также оподсознании, в котором происходят некоторые мыслительные операции, когда человек о них «не думает», т. е. они не фиксируются сознанием.

Душав естественно-научном понимании – это сложная информационная система, материализованная в нейронных сетях головного мозга, которая может находиться в активном или пассивном состояниях. «Широту и глубину» души можно связать с объемом и содержанием долговременной индивидуальной памяти. При разрушении мозга умирает и душа. Однако по крайней мере часть души можно сохранить и передать другому человеку, если переписать соответствующие разделы памяти на другой материальный носитель. Человек уже делает первые шаги по созданию аналога души на совершенно другой материальной основе, создавая все более мощные компьютеры и многофункциональные роботы. По крайней мере положительный ответ на старый вопрос: может ли машина мыслить?, уже получен современной наукой.

***