3.4: Головний і спинний мозок
Мозок - надзвичайно складний орган, що складається з мільярдів взаємопов'язаних нейронів і глій. Це двостороння, або двостороння, структура, яку можна розділити на окремі частки. Кожна частка пов'язана з певними типами функцій, але, врешті-решт, всі ділянки мозку взаємодіють один з одним, щоб забезпечити основу для наших думок та поведінки. У цьому розділі ми обговорюємо загальну організацію головного мозку та функції, пов'язані з різними ділянками мозку, починаючи з того, що можна розглядати як розширення головного мозку, спинного мозку.
Спинний мозок
Можна сказати, що спинний мозок - це те, що з'єднує мозок із зовнішнім світом. Через нього може діяти мозок. Спинний мозок схожий на релейну станцію, але дуже розумний. Він не тільки направляє повідомлення в мозок і з нього, але і має свою систему автоматичних процесів, званих рефлексами.
Верхівка спинного мозку - це пучок нервів, який зливається зі стовбуром мозку, де контролюються основні процеси життєдіяльності, такі як дихання і травлення. У зворотному напрямку спинний мозок закінчується трохи нижче ребер - всупереч тому, що ми можемо очікувати, він не поширюється аж до основи хребта.
Спинний мозок функціонально організований в 30 сегментів, що відповідають хребцям. Кожен сегмент з'єднаний з певною частиною тіла через периферичну нервову систему. Нерви відгалужуються від хребта у кожного хребця. Сенсорні нерви приносять повідомлення; рухові нерви посилають повідомлення до м'язів і органів. Повідомлення подорожують до мозку та з нього через кожен сегмент.
Деякі сенсорні повідомлення негайно діють на спинний мозок, без будь-якого входу з головного мозку. Відведення від гарячого предмета і ривок коліна - два приклади. Коли сенсорне повідомлення відповідає певним параметрам, спинний мозок ініціює автоматичний рефлекс. Сигнал переходить від сенсорного нерва до простого обробного центру, який ініціює рухову команду. Секунди зберігаються, тому що повідомлення не повинні йти в мозок, оброблятися та надсилати назад. У питаннях виживання спинномозкові рефлекси дозволяють організму реагувати надзвичайно швидко.
Спинний мозок захищений кістковими хребцями і амортизується спинномозковою рідиною, але травми все ж трапляються. При пошкодженні спинного мозку в конкретному сегменті всі нижні сегменти відрізаються від головного мозку, викликаючи параліч. Тому чим нижче на хребті відбувається пошкодження, тим менше функцій втратить травмована людина.
Нейропластичність
Боб Вудрафф, репортер ABC, отримав черепно-мозкову травму після вибуху бомби поруч з транспортним засобом, в якому він перебував під час висвітлення новини в Іраку. Внаслідок цих травм Вудрафф зазнав багатьох когнітивних дефіцитів, включаючи труднощі з пам'яттю та мовою. Однак з часом і за допомогою інтенсивної кількості когнітивної та логопедичної терапії Вудрафф показав неймовірне відновлення функції (Фернандес, 2008, 16 жовтня).
Одним з факторів, що зробили це відновлення можливим, була нейропластичність. Нейропластичність відноситься до того, як нервова система може змінюватися і адаптуватися. Нейропластичність може відбуватися різними способами, включаючи особистий досвід, процеси розвитку або, як у випадку Вудраффа, у відповідь на якісь пошкодження або травми, які сталися. Нейропластичність може включати створення нових синапсів, обрізку синапсів, які більше не використовуються, зміни гліальних клітин і навіть народження нових нейронів. Через нейропластичність наш мозок постійно змінюється і адаптується, і хоча наша нервова система найбільш пластична, коли ми дуже молоді, як припускає випадок Вудраффа, вона все ще здатна до чудових змін пізніше в житті.
Дві півкулі
Поверхня мозку, відома як кора головного мозку, дуже нерівна, характеризується характерним малюнком складок або горбків, відомих як звивини (однина: звивина), і борозенок, відомих як sulci (сингулярна: борозна), показана на малюнку 3.15. Ці звивини і сульці утворюють важливі орієнтири, які дозволяють розділити мозок на функціональні центри. Найбільш видатною борозною, відомою як поздовжня тріщина, є глибока борозенка, яка розділяє мозок на дві половини або півкулі: ліву півкулю та праву півкулю.

Є докази спеціалізації функції - званої латералізацією - у кожній півкулі, головним чином щодо відмінностей мовних функцій. Ліва півкуля управляє правою половиною тіла, а права - лівою половиною тіла. Десятиліття досліджень латералізації функції Майкла Гаццаніги та його колег припускають, що різноманітні функції, починаючи від причинно-наслідкових міркувань до саморозпізнавання, можуть слідувати закономірностям, які передбачають певну ступінь панування півкулі (Gazzaniga, 2005). Наприклад, ліва півкуля була вищою за формування асоціацій у пам'яті, вибірковій увазі та позитивних емоціях. Права півкуля, з іншого боку, було показано, що перевершує сприйняття висоти, збудження та негативні емоції (Ehret, 2006). Однак слід зазначити, що дослідження того, яка півкуля є домінуючою у різноманітних формах поведінки, дали непослідовні результати, і тому, мабуть, краще подумати про те, як взаємодіють дві півкулі, щоб виробляти задану поведінку, а не приписувати певну поведінку одному. півкуля проти іншого (Баніч і Хеллер, 1998).
Дві півкулі з'єднані товстою смугою нервових волокон, відомих як мозолистое тіло, що складається з близько 200 мільйонів аксонів. Мозолистое тіло дозволяє двом півкулям спілкуватися між собою і дозволяє обмінюватися інформацією, обробленою з одного боку мозку, з іншою стороною.
Зазвичай ми не усвідомлюємо різних ролей, які наші дві півкулі відіграють у повсякденних функціях, але є люди, які досить добре знають можливості та функції своїх двох півкуль. У деяких випадках важкої епілепсії лікарі вибирають розірвати мозолистое тіло як засіб контролю поширення нападів (рис. 3.16). Хоча це ефективний варіант лікування, Це призводить до людей, які мають «розкол мізки». Після операції ці пацієнти з розщепленим мозком демонструють різноманітну цікаву поведінку. Наприклад, пацієнт з розділеним мозком не в змозі назвати картину, яка відображається в лівому полі зору пацієнта, оскільки інформація доступна лише в основному невербальній правій півкулі. Однак вони здатні відтворити картину лівою рукою, яка також контролюється правою півкулею. Коли більш словесна ліва півкуля бачить картину, яку намалювала рука, пацієнт здатний назвати її (припускаючи, що ліва півкуля може інтерпретувати те, що було намальовано лівою рукою).

Багато з того, що ми знаємо про функції різних областей мозку, походить від вивчення змін у поведінці та здібностях людей, які зазнали пошкодження мозку. Наприклад, дослідники вивчають поведінкові зміни, викликані інсультами, щоб дізнатися про функції конкретних областей мозку. Інсульт, викликаний перериванням кровотоку в області мозку, викликає втрату функції мозку в ураженій області. Пошкодження можуть бути на невеликій площі, і, якщо вона є, це дає дослідникам можливість пов'язати будь-які отримані в результаті зміни поведінки з певною областю. Види дефіциту, що відображаються після інсульту, будуть багато в чому залежати від того, де в мозку сталося пошкодження.
Розглянемо Теону, розумну, самодостатню жінку, якій 62 роки. Нещодавно вона перенесла інсульт в передній частині правої півкулі. В результаті у неї виникають великі труднощі з рухом лівої ноги. (Як ви дізналися раніше, права півкуля контролює ліву частину тіла; також основні рухові центри мозку розташовані в передній частині голови, в лобовій частці.) Теона також зазнала поведінкових змін. Наприклад, перебуваючи в продуктовому розділі продуктового магазину, вона іноді їсть виноград, полуницю, яблука прямо з їх засіків, перш ніж платити за них. Така поведінка, яка була б дуже незручною для неї перед інсультом, узгоджується з пошкодженням в іншій області лобової частки - префронтальної кори, яка пов'язана з судженням, міркуваннями та контролем імпульсів.
Структури переднього мозку
Дві півкулі кори головного мозку є частиною переднього мозку (рис. 3.17), який є найбільшою частиною мозку. Передній мозок містить кору головного мозку та ряд інших структур, які лежать під корою (звані підкірковими структурами): таламус, гіпоталамус, гіпофіз та лімбічна система (сукупність структур). Кора головного мозку, яка є зовнішньою поверхнею мозку, пов'язана з процесами вищого рівня, такими як свідомість, думка, емоція, міркування, мова та пам'ять. Кожна півкуля головного мозку може бути поділена на чотири частки, кожна з яких пов'язана з різними функціями.

Частки мозку
Чотири частки мозку - лобова, тім'яна, скронева і потилична частки (рис. 3.18). Лобова частка розташована в передній частині мозку, поширюючись назад до тріщини, відомої як центральна борозна. Лобова частка бере участь у міркуванні, руховому контролі, емоціях та мові. Він містить рухову кору, яка бере участь у плануванні та координації руху; префронтальна кора, яка відповідає за когнітивне функціонування вищого рівня; і область Брока, яка є важливою для виробництва мови.

Люди, які зазнають шкоди району Брока, мають великі труднощі з отриманням мови будь-якої форми (рис. 3.18). Наприклад, Падма був інженером-електриком, який був соціально активним і турботливим, залученим батьком. Близько двадцяти років тому вона потрапила в автомобільну аварію і зазнала збитків у районі своєї Броки. Вона повністю втратила здатність говорити і формувати будь-який осмислений мову. Немає нічого поганого з її ротом або голосовими зв'язками, але вона не в змозі виробляти слова. Вона може слідувати вказівкам, але не може відповідати усно, і вона може читати, але більше не писати. Вона може виконувати рутинні завдання, такі як біг на ринок, щоб купити молоко, але вона не могла спілкуватися усно, якщо ситуація вимагає цього.
Напевно, найвідоміший випадок пошкодження лобової частки - це людина на ім'я Фінес Гейдж. 13 вересня 1848 року Гейдж (25 років) працював бригадиром залізниці у Вермонті. Він та його екіпаж використовували залізний стрижень, щоб утрамбувати вибухову речовину в вибуховий отвір, щоб видалити скелю вздовж шляху залізниці. На жаль, залізний стрижень створив іскру і змусив стрижень вибухнути з вибухового отвору, в обличчя Гейджа і через його череп (рис. 3.19). Хоча лежав у басейні власної крові з мозковою речовиною, що виходить з його голови, Гейдж був свідомий і здатний вставати, ходити і говорити. Але в місяці після його аварії люди помітили, що його особистість змінилася. Багато його друзів описували його як більше не самого себе. До аварії говорилося, що Гейдж був вихованим, м'якомовним людиною, але після аварії він почав вести себе дивними і недоречними способами. Такі зміни в особистості були б узгоджені з втратою імпульсного контролю — функції лобової частки.
Крім пошкодження самої лобової частки, подальші дослідження шляху стрижня також виявили ймовірне пошкодження шляхів між лобовою часткою та іншими мозковими структурами, включаючи лімбічну систему. При розриві зв'язків між планувальними функціями лобової частки і емоційними процесами лімбічної системи Гейдж мав труднощі з контролем своїх емоційних імпульсів.
Однак є деякі докази, що свідчать про те, що драматичні зміни в особистості Гейджа були перебільшені та прикрашені. Випадок Гейджа стався в розпал дискусії 19 століття щодо локалізації - щодо того, чи пов'язані певні ділянки мозку з певними функціями. На підставі вкрай обмеженої інформації про Гейджа, ступеня його травми та його життя до і після аварії вчені прагнули знайти підтримку власним поглядам, на яку б сторону дебатів вони не впали (Macmillan, 1999).

Тім'яна частка мозку розташована відразу за лобовою часткою, і бере участь в обробці інформації з органів почуттів організму. Він містить соматосенсорну кору, яка необхідна для обробки сенсорної інформації з усього тіла, такої як дотик, температура та біль. Соматосенсорна кора організована топографічно, а це означає, що просторові відносини, які існують в організмі, зазвичай підтримуються на поверхні соматосенсорної кори (рис. 3.20). Наприклад, частина кори, яка обробляє сенсорну інформацію від руки, сусідить з тією ділянкою, яка обробляє інформацію з зап'ястя.


Потилична частка розташована в самій задній частині мозку, і містить первинну зорову кору, яка відповідає за інтерпретацію надходить зорової інформації. Потилична кора організована ретинотопічно, що означає, що існує тісний зв'язок між положенням предмета в полі зору людини та положенням представлення цього об'єкта на корі. Про те, як обробляється візуальна інформація в потиличній частці, ви дізнаєтеся набагато більше, коли вивчаєте відчуття і сприйняття.
Інші області переднього мозку
Інші області переднього мозку, розташовані під корою головного мозку, включають таламус і лімбічну систему. Таламус - це сенсорне реле для мозку. Всі наші органи чуття, за винятком нюху, проходять через таламус перед тим, як направляються на інші ділянки мозку для обробки (рис. 3.22).


Справа Генрі Молайсона (H.M.)
У 1953 році Генрі Густав Молайсон (H.M.) був 27-річним чоловіком, який пережив сильні напади. У спробі контролювати свої напади, Х.М. переніс операцію на головному мозку з видалення гіпокампу та мигдалини. Після операції напади Г.М. стали набагато менш важкими, але він також зазнав несподіваних і руйнівних наслідків операції: він втратив здатність формувати багато типів нових спогадів. Наприклад, він не зміг дізнатися нові факти, наприклад, хто був президентом США. Він зміг навчитися новим навичкам, але згодом у нього не було жодного спогаду про їх вивчення. Наприклад, хоча він може навчитися користуватися комп'ютером, у нього не було б свідомої пам'яті про те, що коли-небудь використовував його. Він не міг запам'ятати нових облич, і він не зміг згадати події, навіть відразу після того, як вони відбулися. Дослідники були захоплені його досвідом, і він вважається одним з найбільш вивчених випадків в медичній та психологічній історії (Hardt, Einarsson, & Nader, 2010; Squire, 2009). Дійсно, його випадок забезпечив величезне розуміння ролі, яку відіграє гіпокамп у консолідації нового навчання в явну пам'ять.
Структури середнього мозку та заднього мозку
Середній мозок складається з структур, розташованих глибоко всередині мозку, між переднім і заднім мозком. Ретикулярна формація зосереджена в середньому мозку, але насправді вона поширюється вгору в передній мозок і вниз в задній мозок. Ретикулярна формація важлива для регулювання циклу сну/неспання, збудження, настороженості та рухової активності.
Substantia nigra (лат. «чорна субстанція») і вентральна тегментальна область (VTA) також розташовані в середньому мозку (рис. 3.24). Обидві області містять клітинні тіла, які виробляють нейромедіатор дофамін, і обидва мають вирішальне значення для руху. При хворобі Паркінсона бере участь дегенерація субстанції чорної і ВТА. Крім того, ці структури беруть участь у настрої, нагороді та залежності (Berridge & Robinson, 1998; Gardner, 2011; George, Le Moal, & Koob, 2012).


Що б ви зробили, якби ваш чоловік або кохана людина був оголошений мозок мертвим, але його або її тіло зберігалося в живих медичним обладнанням? Чиїм рішенням має бути видалення трубки для подачі? Чи повинні витрати на медичну допомогу бути фактором?
25 лютого 1990 року жінка з Флориди на ім'я Террі Скьяво пішла в зупинку серця, очевидно, викликана булімічним епізодом. Вона з часом відродилася, але її мозок довгий час був позбавлений кисню. Сканування мозку показало, що в її корі головного мозку не було активності, і вона страждала від важкої та постійної атрофії головного мозку. В основному Скьяво знаходився в вегетативному стані. Медичні працівники визначили, що вона ніколи більше не зможе рухатися, говорити або реагувати будь-яким чином. Щоб залишитися в живих, їй потрібна була трубка для годування, і шансів, що її становище коли-небудь покращиться, не було.
Іноді очі Скьяво ворушилися, а іноді вона стогнула. Незважаючи на наполягання лікарів до зворотного, її батьки вважали, що це ознаки того, що вона намагається з ними спілкуватися.
Через 12 років чоловік Скьяво стверджував, що його дружина не хотіла б, щоб її зберігали в живих без почуттів, відчуттів або мозкової діяльності. Її батьки, однак, були дуже проти видалення її трубки для годування. Зрештою, справа пробралася до судів, як у штаті Флорида, так і на федеральному рівні. До 2005 року суди визнали на користь чоловіка Скьяво, а трубка для годування була видалена 18 березня 2005 року. Скьяво помер через 13 днів.
Чому очі у Скьяво іноді ворушилися, і чому вона стогнула? Хоча частини її мозку, які контролюють думку, добровільний рух та почуття, були повністю пошкоджені, її стовбур мозку все ще був недоторканим. Її мозок і понс підтримували дихання і спричиняли мимовільні рухи очей та випадкові стогони. Протягом 15-річного періоду, коли вона перебувала на трубці для годування, медичні витрати Schiavo, можливо, перевищили 7 мільйонів доларів (Arnst, 2003).
Ці питання були доведені до народної совісті десятиліття тому у випадку Террі Скьяво, і вони збереглися. У 2013 році 13-річну дівчинку, яка перенесла ускладнення після операції на мигдалині, оголосили мозок мертвою. Між її родиною сталася битва, яка хотіла, щоб вона залишилася на життєзабезпечення, і політика лікарні щодо осіб оголосила мозок мертвим. В іншому складному випадку 2013—14 років у Техасі вагітний професіонал EMT оголосив, що мозок мертвим був збережений тижнями, незважаючи на директиви її чоловіка, які базувалися на її побажаннях, якщо така ситуація виникне. При цьому державні закони, покликані захистити ненароджений плід, враховувалися до тих пір, поки лікарі не визначили плід нежиттєздатним.
Рішення, пов'язані з медичною реакцією на пацієнтів, оголошених мертвим мозок, є складними. Що ви думаєте про ці питання?
Візуалізація мозку
Ви дізналися, як черепно-мозкова травма може надати інформацію про функції різних відділів мозку. Однак все частіше ми можемо отримати цю інформацію за допомогою методів візуалізації мозку про осіб, які не перенесли травму мозку. У цьому розділі ми детальніше розглянемо деякі методи, доступні для візуалізації мозку, включаючи методи, які покладаються на випромінювання, магнітні поля або електричну активність в мозку.
Методи, що включають радіацію
Комп'ютерна томографія (КТ) передбачає взяття ряду рентгенівських знімків конкретного ділянки тіла або мозку людини (рис. 3.26). Рентгенівські промені проходять через тканини різної щільності з різною швидкістю, що дозволяє комп'ютеру побудувати загальне зображення області сканованого тіла. КТ часто використовується для визначення того, чи є у когось пухлина або значна атрофія мозку.


Методи за участю магнітних полів
При магнітно-резонансної томографії (МРТ) людини поміщають всередину апарату, який генерує сильне магнітне поле. Магнітне поле змушує атоми водню в клітині організму рухатися. Коли магнітне поле вимкнено, атоми водню випромінюють електромагнітні сигнали, повертаючись у початкові положення. Тканини різної щільності видають різні сигнали, які комп'ютер інтерпретує і відображає на моніторі. Функціональна магнітно-резонансна томографія (ФМРТ) діє за тими ж принципами, але показує зміни мозкової діяльності з плином часу шляхом відстеження кровотоку та рівня кисню. ФМРТ забезпечує більш детальні зображення структури мозку, а також кращу точність у часі, ніж це можливо при ПЕТ-скануванні (рис. 3.28). З їх високим рівнем деталізації МРТ і фМРТ часто використовуються для порівняння мозку здорових людей з мозком осіб з діагнозом психологічні розлади. Це порівняння допомагає визначити, які структурні та функціональні відмінності існують між цими популяціями.

Методи, що включають електричну активність
У деяких ситуаціях корисно отримати розуміння загальної активності мозку людини, не потребуючи інформації про фактичне місцезнаходження діяльності. Електроенцефалографія (ЕЕГ) служить цій меті, забезпечуючи міру електричної активності мозку. Навколо голови людини розміщується масив електродів (рис. 3.29). Сигнали, отримані електродами, призводять до роздруківки електричної активності його мозку або мозкових хвиль, показуючи як частоту (кількість хвиль в секунду), так і амплітуду (висоту) записаних мозкових хвиль, з точністю в межах мілісекунд. Така інформація особливо корисна дослідникам, які вивчають схеми сну серед людей з порушеннями сну.
