Модели разума. Как физика, инженерия и математика сформировали наше понимание мозга - Lindsay Grace

Итак, на столе в доме Хитцига (Физиологический институт не располагал оборудованием для этой новой методики) Фрич и Хитциг начали электрически стимулировать кору головного мозга собак. Они подготовили платиновый электрод, прикрепив его к батарее и постучав им по языку, чтобы проверить силу тока (как сообщается, он был "достаточной интенсивности, чтобы вызвать отчетливые ощущения"). Затем они очень кратковременно прикоснулись кончиком электрода к различным участкам мозга, наблюдая за любыми движениями, которые возникали в результате. Они обнаружили, что стимуляция коры головного мозга действительно может вызвать движения - короткие подергивания или спазмы небольших групп мышц на противоположной стороне тела. При этом место стимуляции имело значение - оно определяло, какая часть тела, если таковая имелась, будет двигаться.

Последний вывод был, пожалуй, еще более еретическим, чем первый. В то время даже те немногие ученые, которые считали, что кора головного мозга может делать что-то полезное, все еще предполагали, что она работает как недифференцированная масса - паутина тканей без функциональной специализации. Не предполагалось, что она имеет упорядоченное расположение, при котором все двигательные функции располагаются одной полосой в передней части мозга. Однако стимуляция Фрича и Хитцига предполагала именно это. Проверяя свою теорию, Фрич и Хитциг нанесли на карту участок мозга, отвечающий за определенную область тела, и вырезали его, наблюдая за тем, как это повлияет на движения. Как правило, такие повреждения не приводили к полному параличу пораженной части тела, но значительно ухудшали ее контроль и функции. Доказательств существования моторной коры становилось все больше.

Работа этого немецкого дуэта совпала с открытиями другого врача, Джона Хьюлингса Джексона, который также указал на причастность этой области мозга к управлению моторикой у человека. Благодаря этим совместным открытиям середина XIX века стала поворотным пунктом в понимании роли коры головного мозга в движении - и в нейронауке в целом. Ученым пришлось столкнуться с мыслью о том, что не только кора головного мозга может что-то делать, но и ее отдельные участки могут выполнять разные функции. Воодушевленный этими неспокойными временами, подопечный Джексона по имени Дэвид Феррье приступил к детальному изучению коры головного мозга.

В 1873 году Ферриер получил возможность проводить эксперименты с двигательной системой в приюте дляWest Riding. Работая в этом престижном викторианском психиатрическом учреждении и исследовательском центре, Феррье смог воспроизвести результаты исследований Фрича и Хитцига - как стимуляцию, так и поражение - на собаках. Он также показал, что те же принципы применимы к целому ряду других животных, включая шакалов, кошек, кроликов, крыс, рыб и лягушек. Затем Феррье отправился в подробную экспедицию в двигательную зону обезьян, надеясь получить карту, которая помогла бы хирургам безопасно удалять опухоли и тромбы из мозга человека.3

Испытание целого зоопарка видов животных было не единственным способом, которым Феррье расширил работу Фрича и Хитцига: он также обновил технологию стимуляции. Гальваническая стимуляция, которую использовали Фрич и Хитциг, была разновидностью постоянного тока, который мог повреждать ткани мозга. Поэтому его можно было применять только короткими импульсами. В конце концов Феррье перешел на фарадическую стимуляцию - переменный ток, который можно было применять более последовательно. В результате Феррье мог прижимать электрод к мозгу в течение нескольких секунд. По словам Феррье, он также мог проводить стимуляцию с более высокой силой тока - "достаточной для того, чтобы вызвать резкое, но вполне терпимое ощущение, когда электроды помещались на кончик языка".

Это количественное изменение параметров стимуляции привело к качественному изменению результатов. Когда Феррье проводил стимуляцию с более длительными интервалами, он не просто получал более длительные мышечные подергивания. Вместо этого животные демонстрировали полные, сложные движения - движения, напоминающие те, которые они совершали бы в обычной жизни. Например, Феррье обнаружил участок мозга кролика, который, согласно его записям, вызывал "внезапное втягивание и поднятие или оттопыривание противоположного уха - иногда это совпадало с внезапным стартом, как будто животное собиралось рвануть вперед". У кошки определенная область отвечала за "втягивание и разгибание передней лапы". Движения выполняются быстро и похожи на те, которые кошка совершает, ударяя лапой по мячу". А при стимуляции участка, "расположенного на задней половине верхних и средних лобных извилин" мозга обезьян, Феррье наблюдал, как "глаза широко открываются, зрачки расширяются, а голова и глаза поворачиваются в противоположную сторону".

То, что столь тупая стимуляция моторной коры приводит к таким плавным и скоординированным движениям, указывает на иное понимание этой области мозга, чем у Фритча и Хитцига. Если стимуляция моторной коры приводит в движение в основном небольшие изолированные группы мышц, как считали те двое, то ее функции относительно просты. Различные участки моторной коры работают как клавиши на фортепиано, каждая из которых выдает свою ноту. Результаты исследований Феррье, напротив, представляют моторную кору как библиотеку коротких мелодий, где каждая стимуляция заставляет фрагмент движения воспроизводиться совместно несколькими группами мышц. Этот спор - ноты против мелодий, подергивания против движений - станет первым из многих споров о душе моторной коры.

Несмотря на то, что он повторил их результаты, Фрич и Хитциг не поладили с Феррье. Возможно, это произошло из-за разногласий по поводу распределения кредитов. Феррье считал, что немецкий дуэт обошел стороной его наставника Джексона, не сославшись на его работу в своей. В результате Феррьер пытался избежать наказания за то, что не ссылался на Фича и Хитцига в своих работах. Он даже дошел до того, что убрал все ссылки на свои эксперименты на собаках и говорил только о результатах, полученных на обезьянах, чтобы избежать любой связи с Фитчем и Хитцигом.4

Какова бы ни была причина, Фрич и Хитциг не доверяли работам Феррье по созданию фрагментов естественных движений. Они отстаивали превосходство короткой гальванической стимуляции и утверждали, что стимуляция Феррье была слишком длительной и что его результаты не могут быть воспроизведены. Феррье же оставался непоколебим в своей вере в то, что фарадов ток является лучшим и что быстрая гальваническая стимуляция Фрича и Хитцига "не может вызвать определенную целенаправленную комбинацию мышечных сокращений, которая является самой сутью реакции и ключом к ее интерпретации".

В то время как в крошечном микрокосме стимуляции моторной коры разгоралась борьба, в более широкой области нейронауки велась другая дискуссия. То, что функции в коре локализованы - что разные области играют разные роли, - было тем, с чем явно согласилась моторная толпа. Но в более широком сообществе это радикальное изменение в понимании все еще только зарождалось, и многие исследователи того времени поставили перед собой цель проверить