ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 73, № 5, с. 324-348
УДК 573.2:591.5:612.8.
БИОЛОГИЧЕСКИЙ СУБСТРАТ ГЕНЕРАЦИИ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ АКТОВ
© 2012 г. Д. А. Сахаров
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН 119334 Москва, ул. Вавилова, 26
e-mail: dant1930@gmail.com Поступила в редакцию 29.03.2012 г.
Фундаментальная роль центральных генераторов (ЦГ) паттерна (central pattern generators, CPGs) в производстве моторных команд получает растущее признание. CPG определяют как ансамбль нейронов, совместно создающих упорядоченную определенным образом выходную активность. Принято считать, что упорядоченность определяется специфичностью синаптических связей между нейронами ансамбля. Согласно взгляду автора, существенна специфичность сигнальных молекул, принадлежащих нейронам разных химических фенотипов. Современные исследования демонстрируют способность CPG к реорганизации, приводящей к изменению паттерна выходной активности. Эту мультифункциональность трудно объяснить в понятиях анатомической (= синап-тической) организации. Гетерохимическая гипотеза CPG не столь ригидна. Мы предполагаем, что динамическими флюктуациями содержания нейроактивных молекул в локальной межклеточной среде определяются физиологические свойства и рецепторный профиль индивидуальных нейронов и, таким образом, характер их самоорганизации в паттерн-генерирующий ансамбль.
Традиция находить фундаментальные механизмы нервной деятельности не в самом мозге, а в преходящих продуктах техники, давно тревожит биологически ориентированных исследователей. Начало ей положил Рене Декарт (1596-1650), уподоблявший мозг гидравлической машине. Позже мозг уподобляли электрической цепи, телефонной станции, голограмме, ныне - компьютеру и искусственным нейронным сетям. Добро бы артефакты понимались как метафоры, но в них всерьёз ищут указание на устройство мозга.
Сегодня искусственные нейронные сети и искусственный интеллект не такие, какими они были вчера, а завтра в технике возникнет что-то совсем новое. Но в нашем мозге те же нервные клетки, те же механизмы межклеточных взаимодействий, какие были на заре цивилизации. Более того, биологический субстрат, в котором принимаются решения и формируются поведенческие команды, практически не менялся на всём протяжении эволюции организмов, обладающих нервной системой. Изменениям подвергаются только наши представления о нём.
Вопрос о субстрате поведения будет здесь рассмотрен с биологических позиций и в историческом контексте. Сегодняшняя ситуация ха-
рактеризуется накоплением аномалий в господствующих техногенных представлениях о мозге. Формирование новой концептуальной схемы возможно, по мнению автора, на основе идеи, что механизмы нервной регуляции унаследованы от донервных регуляторных систем и имеют химическую природу.
Мозг - устройство, выполненное биологическими средствами. Эта фундаментальная идея принадлежит Х.С. Коштоянцу (1900-1961). Он не скрывал скептического отношения к тому, что его современники описывают механизмы мозга в понятиях электричества. В частности, распространённому взгляду на медиатор (нейротранс-миттер) как передатчик электрического импульса Коштоянц одиноко противопоставлял свою "энзимохимическую гипотезу". Она априорно наделяла сигнальные молекулы нервной системы биохимической индивидуальностью и предлагала выводить своеобразие каждого нейромедиатора из его донервной регуляторной функции (Коштоянц, 1957, 1959, 1963; см. также Артёмов, Сахаров, 1986, гл. 3).
Нейробиологами школы Коштоянца немало сделано для развития этой идеологии. Т.М. Тур-паев (1962) представил первое в мировой науке
доказательство белковой природы клеточных рецепторов. Каталин Ш-Рожа экспериментально подтвердила предположение о трансмиттер-ной функции серотонина (S-Rozsa, Graul, 1964; S-Rozsa, Perenyi, 1966). Усилиями С.Н. Нистратовой, Т.Г. Путинцевой и других было впервые показано, что пуриновые соединения помимо известных внутриклеточных функций выполняют и функцию межклеточных регуляторов (Турпаев, 1965). Интенсивно исследовались метаболические функции "передатчиков электричества" (Дёмин, 1967). Исследования Г. А. Бузникова (1987) доказали участие нейротрансмиттерных веществ в механизмах раннего эмбриогенеза. Всё это вошло в состав современной науки, дав начало новым направлениям исследований.
Упомяну в этом ряду результаты изучения химических клеточных фенотипов у низших хордовых - ланцетника и асцидий. В их эпителиальном ресничном органе (эндостиль), похожем на те желоба, из которых могла произойти нервная трубка позвоночных, обнаружились "ещё" не нервные, но уже трансмиттер-специфические секреторные клетки (Сахаров и др., 1979; Наум-кина, Сахаров, 1981; Sakharov, Salimova, 1982; Nilsson et al., 1988). К идеям Коштоянца восходят и те современные молекулярно-биологические исследования (Moroz, 2009), которыми надёжно подтверждены мои давние доводы в пользу гомологии изохимичных нейронов и независимого происхождения разных нейрональных фенотипов (Sakharov, 1970; Сахаров, 1970, 1974; см. также Hobert et al., 2010).
За десятилетия, прошедшие после кончины Коштоянца, стихийно изменилось лицо профессиональных журналов. Основная масса исследователей мозга перестала заниматься электрическими манифестациями, переключившись на вещества, реакции, гены. Аналоговые подходы всё чаще уступают место биологическим. И хотя концептуализация новых знаний отстаёт от их накопления, мы вправе квалифицировать происходящее как эпоху смены парадигм (Сахаров, 2011). Она растянулась на десятилетия и не проста для современников, но лучше отдавать себе отчёт в происходящем, чем слепо следовать отмирающим установлениям.
Струйная парадигма. Воплощённая в парадигме "специальная картина мира" приводит знания в систему и, что намного важнее, диктует, как истолковывать факты и формулировать теории. (Не следует путать с лабораторным новоязом, где "парадигма" - методическая пропись.) Настоящие парадигмы вызревают редко и держатся
долго, являя поразительную живучесть не только в быту (вспомним: "солнце взошло", "принимаю всем сердцем", и т. п.), но и в серьёзной науке. При смене парадигмы наука не обязательно выигрывает, бывают досадные потери. Не обошлось без потерь и в представлениях о субстрате управления поведением.
По большому счёту нынешняя электрическая парадигма мозга - всего лишь вторая в истории европейской мысли. До того как нервную деятельность стали описывать в понятиях электричества, её связывали со струением невидимой подвижной субстанции, esprits animaux (animal spirits в английской литературе, "животные духи" в неуклюжем русском переводе). Струйная парадигма продержалась более двух тысячелетий. Полости мозга, вздутие работающих мышц - вот реальность, на которую опирались наши предшественники, пытавшиеся представить, как мог бы работать механизм управления телом. Остальные элементы картины пришлось дорисовывать. К ним относятся каналы нервов, якобы трубчатых, и невидимый носитель мозговых распоряжений, струя которого надувает мышцу.
Уже Гален (130-200) полагал, что носитель распоряжений материален. Декарт трактовал его как легчайшую фракцию фильтрата крови. Добавив к умозрительному носителю нафантазированные ниточки чувствительных нервов, управляющие заслонками желудочков, Декарт довёл струйную парадигму до совершенства. Она позволяла ему без дополнительных натяжек объяснять все мозговые феномены - от эмоций и управления движениями до чувствований и ума. Однако каких-либо прямых свидетельств существования подвижной субстанции, а также ниточек, связывающих её резервуары с сенсорикой, получено не было (Cosenza, 2002-2003).
Надежда на материализацию носителя распоряжений родилась с открытием Л. Гальвани (1737-1798) животного электричества. Переломными для физиологии нервной системы стали 1850-1852 гг., когда Г. Гельмгольц (1821-1894) экспериментально показал, что животное электричество передвигается по двигательному нерву со скоростью, доступной если не пониманию, то измерению. Современники без тени сомнений экстраполировали результаты Гельмгольца на чувствительные нервы и на мозг. Потребность в полостях и трубочках отпала, зато появилась потребность в проводниках электричества. Физиология нервной системы стала электрофизиологией, биологическим субстратом нервной
деятельности стали "проводящие пути нервной системы" (Clower, 1998).
И сразу же возникли проблемы.
Электрическая парадигма. Подобно току жидкости по трубкам, движение электричества по проводникам мыслилось не совместимым с разрывами. Но к тому времени, когда нервную систему стали понимать как систему проводников животного электричества, в биологии уже утвердилась клеточная теория. Она стала хроническим испытанием для науки о мозге. Биологическая теория требовала делить субстрат нервных процессов на дискретные единицы - клетки, а парадигма (в согласии со здравым смыслом) требовала, чтобы субстрат был неразрывным и единым.
На рубеже XIX и XX столетий наполненность мозга клетками уверенно подтвердила микроскопия. Однако препараты, полученные серебрением срезов, не были однозначно прочитаны - два тогдашних корифея нейрогистологии видели в микроскоп разное. Это известная история, она настолько поучительна, что полезно освежить её в памяти. Оба великих гистолога были мощно мотивированы идеей электрической сигнализации, оба доказали неразрывность субстрата, но их (удостоенные Нобелевской премии) доказательства были взаимоисключающими (Golgi, 1906; Ramón y Cajal, 1906). С именем итальянца Камилло Гольджи (1843-1926) связана синцити-альная версия электрической парадигмы ("рети-куляризм"). По Гольджи, тонкие ветви отростков нервных клеток сливаются, образуя синцитий и тем обеспечивая целостность проводящей системы. Другой знаменитый микроскопист, испанец Сантъяго Рамон-и-Кахал (1852-1934), на запрос парадигмы ответил иначе: нервные клетки ("нейроны") в биологический синцитий не слиты, но образуют электросинцитий: общее эмбриональное происхождение делает их настолько схожими, что целостность проводящего субстрата обеспечивается межклеточными стыками, "синапсами". (Так стыки между ре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.