8.2: Еволюція мозку

Цілі навчання

• Узагальнити еволюцію ключових особливостей мозку серед тварин.

Організація центральної нервової системи

Коли ви читаєте цю книгу, ваша нервова система виконує кілька функцій одночасно. Зорова система обробляє те, що видно на сторінці; рухова система керує поворотом сторінок (або клацанням миші); префронтальна кора підтримує увагу. Навіть основні функції, такі як дихання і регуляція температури тіла, контролюються нервовою системою. Нервова система є центром управління організмом: вона обробляє сенсорну інформацію ззовні (і всередині) тіла і контролює будь-яку поведінку - від їжі до сну до пошуку партнера.

Нервові системи у всьому тваринному світі різняться за будовою і складністю, про що свідчить різноманітність тварин, показана на малюнку 8.6. Деякі організми, як морські губки, позбавлені справжньої нервової системи. Інші, як медузи, не мають справжнього мозку і замість цього мають систему окремих, але з'єднаних нервових клітин (нейронів), які називаються «нервовою сіткою». Голкошкірі, такі як морські зірки, мають нервові клітини, які з'єднуються у волокна, звані нервами. Плоскі черви філума Platyhelminthes мають як центральну нервову систему (ЦНС), що складається з невеликого «мозку» та двох нервових канатиків, так і периферичної нервової системи (ПНС), що містить систему нервів, які поширюються по всьому тілу. Нервова система комах більш складна, але також досить децентралізована. Він містить мозок, вентральний нервовий мозок і ганглії (скупчення з'єднаних нейронів). Ці ганглії можуть контролювати рухи та поведінку без входу мозку. У восьминога може бути найскладніша з безхребетних нервових систем - у них є нейрони, організовані в спеціалізованих частках і очах, які структурно схожі на види хребетних.

Малюнок 8.6. Нервові системи розрізняються за будовою і складністю. У (а) cnidarians нервові клітини утворюють децентралізовану нервову мережу. У (б) голкошкірих нервові клітини зв'язуються в волокна, звані нервами. У тварин, що проявляють двосторонню симетрію, таку як (c) планарії, нейрони скупчуються у передній мозок, який обробляє інформацію. Крім головного мозку, (d) членистоногі мають скупчення тіл нервових клітин, званих периферичними гангліями, розташованими уздовж черевного нервового канатика. Такі молюски, як кальмари та (е) восьминоги, які повинні полювати, щоб вижити, мають складний мозок, що містить мільйони нейронів. У (f) хребетних, головний і спинний мозок складають центральну нервову систему, тоді як нейрони, що поширюються на решту тіла, складають периферичну нервову систему. (Кредит e: модифікація роботи Майкла Веккіоне, Клайда Ф.Е. Ропера та Майкла Дж. Суїні, NOAA; кредит f: модифікація роботи NIH)

У порівнянні з безхребетними, хребетні нервові системи більш складні, централізовані і спеціалізовані. Хоча існує велика різноманітність серед різних нервових систем хребетних, всі вони мають основну структуру: ЦНС, яка містить головний і спинний мозок і ПНС, що складається з периферичних сенсорних та рухових нервів. Одна цікава відмінність нервових систем безхребетних і хребетних полягає в тому, що нервові канатики багатьох безхребетних розташовані вентрально, тоді як хребетні спинні - спинні. Серед еволюційних біологів існує суперечка щодо того, чи розвивалися ці різні плани нервової системи окремо або чи безхребетний план тіла якось «перевернувся» під час еволюції хребетних.

Перегляньте це відео біолога Марка Кіршнера, який обговорює феномен «гортання» еволюції хребетних.

Нервова система складається з нейронів, спеціалізованих клітин, які можуть приймати та передавати хімічні або електричні сигнали, та гліа, клітини, які забезпечують підтримуючі функції нейронів, граючи роль обробки інформації, яка доповнює нейрони. Нейрон можна порівняти з електричним проводом - він передає сигнал з одного місця в інше. Глію можна порівняти з працівниками електричної компанії, які переконуються, що дроти йдуть в потрібні місця, підтримують дроти та знімають дроти, які зламані. Хоча glia порівнювали з працівниками, останні дані свідчать про те, що також узурпують деякі сигнальні функції нейронів.

Існує велика різноманітність типів нейронів і глій, які присутні в різних відділах нервової системи. Існує чотири основні типи нейронів, і вони поділяють кілька важливих клітинних компонентів.

Мозок

Мозок - це частина центральної нервової системи, яка міститься в черепній порожнині черепа. Вона включає кору головного мозку, лімбічну систему, базальні ганглії, таламус, гіпоталамус, мозочок. Існує три різні способи розділення мозку для перегляду внутрішніх структур: сагітальний відділ розрізає мозок зліва направо, як показано на малюнку 8.7, корональний відділ розрізає мозок спереду назад, як показано на малюнку 8.8, а горизонтальний розділ розрізає мозок зверху вниз.

Малюнок 8.8. Корональні відділи мозку людини.

Кора головного мозку

Найвіддаленіша частина мозку - це товстий шматок тканини нервової системи, званий корою головного мозку, який складається в пагорби, які називаються звивинами (сингулярні: звивини) та долини, що називаються sulci (сингулярний: борозд). Кора складається з двох півкуль - правого і лівого - які розділені великою борозною. Товстий пучок волокон, який називається мозолистого тіла (лат. «жорстке тіло») з'єднує дві півкулі і дозволяє передавати інформацію з одного боку в іншу. Хоча є деякі функції мозку, які локалізуються більше в одній півкулі, ніж в іншому, функції двох півкуль значною мірою надлишкові. Насправді іноді (дуже рідко) видаляють цілу півкулю для лікування важкої епілепсії. Хоча пацієнти страждають деяким дефіцитом після операції, у них може бути напрочуд мало проблем, особливо коли операція проводиться дітям, які мають дуже незрілу нервову систему.

В інших операціях для лікування важкої епілепсії мозолистое тіло розрізають замість видалення цілої півкулі. Це викликає стан, який називається розщепленим мозком, який дає уявлення про унікальні функції двох півкуль. Наприклад, коли об'єкт представлений лівому полі зору пацієнтів, вони можуть бути не в змозі усно назвати об'єкт (і можуть стверджувати, що вони взагалі не бачили об'єкта). Це пов'язано з тим, що зоровий вхід з лівого поля зору перетинає і потрапляє в праву півкулю і не може потім сигналізувати мовному центру, який, як правило, знаходиться в лівій частині мозку. Примітно, що якщо пацієнта з розщепленим мозком попросять підняти певний предмет з групи предметів лівою рукою, пацієнт зможе це зробити, але все одно не зможе його вокально ідентифікувати.

Кожна коркова півкуля містить області, звані частками, які беруть участь у різних функціях. Вчені використовують різні методи, щоб визначити, які ділянки мозку беруть участь у різних функціях: вони досліджують пацієнтів, які перенесли травми або захворювання, що вражають конкретні області, і бачать, як ці області пов'язані з функціональним дефіцитом. Вони також проводять дослідження на тварині, де стимулюють ділянки мозку і дивляться, чи є якісь поведінкові зміни. Вони використовують метод, який називається трансмагнітною стимуляцією (TMS), щоб тимчасово деактивувати конкретні ділянки кори за допомогою сильних магнітів, розміщених поза головою, і вони використовують функціональну магнітно-резонансну томографію (ФМРТ), щоб подивитися на зміни кисневого кровотоку в конкретних областях мозку, які корелюють з специфічні поведінкові завдання. Ці методи дали велике уявлення про функції різних областей мозку, але також показали, що будь-яка дана область мозку може бути залучена до більш ніж однієї поведінки або процесу, і будь-яка дана поведінка або процес, як правило, включає нейрони в декількох областях мозку. При цьому кожна півкуля кори головного мозку ссавців може бути розбита на чотири функціонально та просторово визначені частки: лобову, тім'яну, скроневу та потиличну. Малюнок 8.9 ілюструє ці чотири частки кори головного мозку людини.

Малюнок 8.9. Кора головного мозку людини включає лобову, тім'яну, скроневу і потиличну частки.

Лобова частка розташована спереду мозку, над очима. Ця частка містить нюхову цибулину, яка переробляє запахи. Лобова частка також містить рухову кору, що важливо для планування і здійснення руху. Області всередині рухової кори відображаються на різні групи м'язів, і існує певна організація цієї карти, як показано на малюнку 8.10. Наприклад, нейрони, які контролюють рух пальців, знаходяться поруч з нейронами, які контролюють рух руки. Нейрони лобової частки також контролюють когнітивні функції, такі як підтримка уваги, мови та прийняття рішень. Дослідження людей, які пошкодили лобові частки, показують, що частини цієї області беруть участь у особистості, соціалізації та оцінці ризику.

Малюнок 8.10. Різні ділянки рухової кори контролюють різні групи м'язів. Групи м'язів, які є сусідами в організмі, зазвичай контролюються сусідніми областями рухової кори. Наприклад, нейрони, які керують рухом пальців, знаходяться поблизу нейронів, які контролюють рух рук.

Тім'яна частка розташована у верхній частині мозку. Нейрони тім'яної частки беруть участь в мові, а також читанні. Дві основні функції тім'яної частки - обробка соматосенсації - відчуття дотику, такі як тиск, біль, тепло, холод - і обробка проприоцепції - відчуття того, як частини тіла орієнтовані в просторі. Тім'яна частка містить соматосенсорну карту тіла, схожу на рухову кору.

Потилична частка розташована в задній частині мозку. Він в першу чергу бере участь у баченні - баченні, розпізнаванні та ідентифікації візуального світу.

Скронева частка розташована біля основи мозку вашими вухами і в першу чергу бере участь в обробці і інтерпретації звуків. Він також містить гіпокамп (грец. «морський коник») - структура, яка обробляє формування пам'яті. Гіпокамп проілюстрований на малюнку 8.9. Роль гіпокампу в пам'яті частково визначалася вивченням одного відомого епілептичного пацієнта, ГМ, у якого були видалені обидві сторони гіпокампу в спробі вилікувати епілепсію. Його напади пішли, але він більше не міг формувати нові спогади (хоча він міг згадати деякі факти до операції і міг навчитися новим руховим завданням).

Порівняно з іншими хребетними, ссавці мають виключно великий мозок за розміром тіла. Наприклад, цілий мозок алігатора заповнив би приблизно півтори чайні ложки. Це збільшення співвідношення розмірів мозку до тіла особливо виражено у мавп, китів та дельфінів. Хоча це збільшення загального розміру мозку, безсумнівно, зіграло певну роль в еволюції складної поведінки, унікальної для ссавців, це не розповідає всієї історії. Вчені виявили взаємозв'язок між відносно високою площею поверхні кори та інтелектом та складною соціальною поведінкою, що демонструються деякими ссавцями. Ця збільшена площа поверхні пояснюється, почасти, збільшеною складчастою складкою коркового листа (більше сольових і звивин). Наприклад, кора щурів дуже гладка з дуже малою кількістю сульків і звивин (рис. 8.11). Котячі та овечі кори мають більше сольовиків і звивин. Шимпанзе, люди та дельфіни мають ще більше.

Малюнок 8.11. Ссавці мають більші співвідношення мозку до тіла, ніж інші хребетні. Усередині ссавців збільшена кортикальна складка і площа поверхні корелює зі складною поведінкою.

базальні ганглії

Взаємопов'язані ділянки мозку, звані базальними гангліями (або базальними ядрами), показані на малюнку 8.7, відіграють важливу роль у контролі руху та поставі. Пошкодження базальних гангліїв, як і при хворобі Паркінсона, призводить до рухових порушень на кшталт перетасовки ходи при ходьбі. Базальні ганглії також регулюють мотивацію. Наприклад, коли укус оси призвело до двостороннього пошкодження базальних гангліїв у 25-річного бізнесмена, він почав проводити всі дні в ліжку і не виявляв інтересу ні до чого, ні до кого-небудь. Але коли він був ззовні збуджений - як коли хтось попросив пограти з ним в карткову гру - він зміг нормально функціонувати. Цікаво, що він і інші подібні пацієнти не повідомляють про почуття нудьги або розчарування своїм станом.

Таламус

Таламус (грец. «внутрішня камера»), проілюстрований на малюнку 8.12, діє як ворота в кору і з неї. Він отримує сенсорні та рухові входи від організму, а також отримує зворотний зв'язок від кори. Цей механізм зворотного зв'язку може модулювати свідоме усвідомлення сенсорних та рухових входів залежно від стану уваги та збудження тварини. Таламус допомагає регулювати свідомість, збудження та стан сну. Рідкісне генетичне захворювання, яке називається фатальним сімейним безсонням, викликає переродження нейронів таламуса і глії. Цей розлад заважає постраждалим пацієнтам спати, серед інших симптомів, і врешті-решт є смертельним.

Малюнок 8.12. Лімбічна система регулює емоції та іншу поведінку. Він включає частини кори головного мозку, розташовані поблизу центру мозку, включаючи поясну звивину та гіпокамп, а також таламус, гіпоталамус та мигдалину.

Гіпоталамус

Нижче таламуса знаходиться гіпоталамус, показаний на малюнку 8.12. Гіпоталамус контролює ендокринної системи шляхом надсилання сигналів до гіпофіза залози, горошину розміру ендокринної залози, яка випускає кілька різних гормонів, які впливають на інші залози, а також інші клітини. Цей зв'язок означає, що гіпоталамус регулює важливу поведінку, яка контролюється цими гормонами. Гіпоталамус - це термостат організму - це гарантує, що ключові функції, такі як споживання їжі та води, витрати енергії та температури тіла зберігаються на відповідних рівнях. Нейрони в межах гіпоталамуса також регулюють циркадні ритми, іноді звані циклами сну.

Лімбічна система

l imbic система - це пов'язаний набір структур, який регулює емоції, а також поведінку, пов'язану зі страхом та мотивацією. Він відіграє певну роль у формуванні пам'яті і включає частини таламуса і гіпоталамуса, а також гіпокампу. Однією з важливих структур всередині лімбічної системи є структура скроневої частки, яка називається мигдалиною (грец. «мигдаль»), проілюстрована на малюнку 8.12. Дві мигдалини важливі як для відчуття страху, так і для розпізнавання боязких облич. Конгулатна звивина допомагає регулювати емоції та біль.

Мозочок

Мозочок (лат. «маленький мозок»), показаний на малюнку 8.9, сидить біля основи мозку на вершині стовбура мозку. Мозочок контролює рівновагу та допомагає координувати рух та вивчати нові рухові завдання.

Стовбур мозку

Стовбур мозку, проілюстрований на малюнку 8.9, з'єднує решту головного мозку зі спинним мозком. Він складається з середнього мозку, довгастого мозку та понсів. Рухові та сенсорні нейрони простягаються через стовбур мозку, дозволяючи реле сигналів між головним і спинним мозком. Висхідні нервові шляхи перетинаються в цьому відділі мозку, дозволяючи лівій півкулі головного мозку контролювати праву частину тіла і навпаки. Стовбур мозку координує сигнали управління двигуном, що посилаються від мозку до тіла. Стовбур мозку контролює кілька важливих функцій організму, включаючи настороженість, збудження, дихання, артеріальний тиск, травлення, серцевий ритм, ковтання, ходьба та інтеграція сенсорної та рухової інформації.

спинний мозок

З'єднується зі стовбуром мозку і поширюється вниз по тілу через хребетний стовп - спинний мозок, показаний на малюнку 8.9. Спинний мозок - це товстий пучок нервової тканини, який несе інформацію про тіло в головний мозок і від головного мозку до тіла. Спинний мозок міститься в кістках хребетного стовпа, але здатний передавати сигнали організму та від нього через зв'язки зі спинномозковими нервами (частиною периферичної нервової системи). Поперечний переріз спинного мозку виглядає як білий овал, що містить сіру форму метелика, як показано на малюнку 8.13. Мієліновані аксони складають «білу речовину», а тіла нейронів і гліальних клітин складають «сіру речовину». Сіра речовина також складається з інтернейронів, які з'єднують два нейрони, кожен розташований в різних частинок тіла. Аксони і клітинні тіла в спинному (зверненому до спини тварини) спинному мозку передають переважно сенсорну інформацію від тіла до головного мозку. Аксони і клітинні тіла в черевному (зверненому до передньої частини тварини) спинному мозку в першу чергу передають сигнали, що контролюють рух від мозку до тіла.

Спинний мозок також контролює рухові рефлекси. Ці рефлекси - це швидкі, несвідомі рухи - як автоматичне видалення руки з гарячого предмета. Рефлекси настільки швидкі, оскільки включають місцеві синаптичні зв'язки. Наприклад, колінний рефлекс, який лікар тестує під час звичайної фізичної, контролюється одним синапсом між сенсорним нейроном та руховим нейроном. Хоча рефлекс може вимагати залучення лише одного або двох синапсів, синапси з інтернейронами в хребетному стовпі передають інформацію в мозок, щоб передати те, що сталося (коліно смикалося, або рука була гарячою).

У Сполучених Штатах щороку відбувається близько 10 000 травм спинного мозку. Оскільки спинний мозок є інформаційною надмагістраллю, що з'єднує мозок з тілом, пошкодження спинного мозку може призвести до паралічу. Ступінь паралічу залежить від розташування травми уздовж спинного мозку і від того, чи був повністю відрізаний спинний мозок. Наприклад, якщо спинний мозок пошкоджений на рівні шиї, це може спричинити параліч від шиї вниз, тоді як пошкодження хребетного стовпа далі вниз може обмежити параліч ніг. Травми спинного мозку, як відомо, важко лікувати, оскільки спинномозкові нерви не регенерують, хоча поточні дослідження показують, що трансплантація стовбурових клітин може виступати в ролі моста для відновлення відрізаних нервів. Дослідники також розглядають способи запобігання запалення, яке погіршує пошкодження нервів після травми. Одним з таких методів лікування є накачування організму холодним фізіологічним розчином, щоб викликати переохолодження. Це охолодження може запобігти набряку та іншим процесам, які, як вважають, погіршують травми спинного мозку.

Малюнок 8.13. Поперечний переріз спинного мозку показує сіру речовину (що містить клітинні тіла та інтернейрони) та білу речовину (що містить аксони).

Вправа\(\PageIndex{1}\)

________ частка містить зорову кору.
а. лобовий
б. тім'яний
c. скроневий
д. потилична

Вправа\(\PageIndex{2}\)

________ з'єднує дві півкулі головного мозку.
a. лімбічна система
b. мозолистое тіло
c. мозочок
d. гіпофіз

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Нейрони в ________ керують руховими рефлексами.
а. таламус

b. спинний мозок c. тім'яна частка
d. гіпокамп

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Якими методами можна визначити функцію тієї чи іншої області мозку?

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Які основні функції спинного мозку?

Вправа\(\PageIndex{6}\)

Яка структура мозку найдавніша на еволюційному дереві тварин? Які групи тварин мають таку будову?