Пространственная локализация функций в коре головного мозга

Людей всегда интересовала природа сложного человеческого поведения: мышления, механизмов памяти, психических процессов, творческих способностей. Этими вопросами в древние времена занимались представители различных религий, жрецы, философы. К концу XVIII в. ученые попытались решить эту проблему с точки зрения устройства головного мозга. головной мозг цитоархитектонический поведение Франц Иосиф Галль первый попытался доказать, что все психические функции человека обусловлены устройством мозга. Помимо этого, Галль сформулировал учение о локализации функций и предложил определять наклонности характера и человеческую индивидуальность по шишкам на поверхности черепа. Идею осмеяли, а реальные заслуги Галля были забыты. В начале XIX в. была популярна теория М. Флуранса. Он считал, что кора больших полушарий мозга человека не имеет функциональной специализации и утверждал о равноправности всех отделов коры головного мозга. В 1861 г. Брок установил зависимость между поражением задней трети нижней лобной извилины левого полушария и нарушением артикулированной речи. В дальнейшем Брок и Варнике продолжали углублять идею локализации функций и получили некоторые факты, доказывающие эту идею. Открытие того, что кора головного мозга имеет высоко дифференцированное строение и что с отдельных ее участков можно вызывать строго дифференцированные эффекты, прочно вошли в науку [1].

В настоящее время существует достаточно много методов исследования структуры и функционального состояния головного мозга [2]. Развиваются и новые направления исследований.

Исследователи из Исследовательского центра Юлих и Монреальского неврологического института создали первую трехмерную цифровую модель мозга высокого разрешения и назвали ее BigBrain (большой мозг). Используя высокотехнологичную резку, исследователи разрезали человеческий мозг на 7404 тонких пластинок каждый с толщину полиэтиленовой пленки [3].

Далее, исследователи окрашивали листы для повышения контрастности, сфотографировали каждый лист планшетным сканером (с разрешением 13 тысяч на 11 тысяч пикселей.), а затем использовали вычислительные мощности суперкомпьютеров из семи центров Канады для цифровой склейки изображений (использовалось около 100 000 компьютерных процессоров). Исследователи проанализировали изображения объемом около одного терабайта. В результате получился самый подробный атлас мозга.

Такой анатомический атлас не только упрощает работу неврологов и нейрохирургов, но и предоставляет возможность понять, как мозг обрабатывает и воспринимает информацию.

Цифровая реконструкция мозга человека позволяет разглядеть его на уровне отдельных клеток: ее разрешение составляет 20 микрон. В общей сложности в ходе кропотливой работы, на которую ученые потратили 10 лет, было зафиксировано 80 миллиардов нейронов. В настоящее время делаются попытки построения модели мозга с разрешением 1 микрометр. Эта модель способна будет отразить морфологию мозга на субклеточном уровне.

В США объявили о выделении 130 миллионов долларов для проекта по картографированию мозга человека, чтобы помочь найти лечение от таких расстройств, как, например, болезнь Альцгеймера. К крупнейшим инвесторам в сфере исследования мозга относится траст Wellcome, который ежегодно вкладывает 80 миллионов фунтов в эту область. Европейский союз готов выделить миллиард евро на разработку модели человеческого мозга с использованием компьютерных технологий.

В данной статье рассматриваются современные представления о локализации функций в коре головного мозга с точки зрения его структуры.

Сведения о функциональных полях головного мозга человека получены в различных исследованиях, например, при сопоставлении локальных разрушений участков коры с наблюдаемыми отклонениями в поведении, проведение прямой стимуляции коры микроэлектродами, позитронно-эмиссионной томографией и другими методами, описанными в [2, 4−8].

Головной мозг — высший орган нервной системы — как анатомо-функциональное образование может быть условно подразделен на несколько уровней каждый из которых осуществляет собственные функции.

I уровень — кора головного мозга — осуществляет высшее управление чувствительными и двигательными функциями, преимущественное управление сложными когнитивными процессами.

II уровень — базальные ядра полушарий большого мозга — осуществляет управление непроизвольными движениями и регуляцию мышечного тонуса.

III уровень — гиппокамп, гипофиз, гипоталамус, поясная извилина, миндалевидное ядро — осуществляет преимущественное управление эмоциональными реакциями и состояниями, а также эндокринную регуляцию.

IV уровень (низший) — ретикулярная формация и другие структуры ствола мозга — осуществляет управление вегетативными процессами. [5].

Как анатомическое образование большой мозг (cerebrum) состоит из двух полушарий— правого и левого (hemisphererum cerebri dextrum et sinistrum).

В каждом полушарии имеется пять долей:

• 1) лобная (lobus frontalis);
• 2) теменная (lobus parietalis);
• 3) затылочная (lobus occipitalis);
• 4) височная (lobus temporalis);
• 5) островковая, островок (lobus insularis, insule).

Все данные (и анатомические, и физиологические, и клинические) свидетельствуют о ведущей роли коры больших полушарий в мозговой организации психических процессов. Кора больших полушарий является наиболее дифференцированным по строению и функциям отделом головного мозга.

Кора головного мозга (contex cerebi) подразделяется на следующие структурные элементы:

• * древнюю (paleocortex);
• * старую (archicortex);
• * среднюю (mesocortex);
• * новую (neocortex).

У человека новая кора — наиболее сложна по строению — по протяженности составляет 96% от всей поверхности полушарий, поэтому рассматривать будем именно её.

Все области новой коры построены по единому принципу. Наиболее типична для человека новая шестислойная кора, однако в разных отделах мозга число слоев различно. Каждый слой отличается по толщине, строению нейронов и их организации.

Кора полушарий головного мозга человека неоднородна даже в пределах одного полушария и имеет различный клеточный состав.

Это позволило выделить в ней однотипно организованные центры — цитоархитектонические поля.

Цитоархитектоника — это наука, изучающая особенности строения коры головного мозга, касающихся клеток. Изучает отличительные признаки различных формаций коры, касающиеся общего характера клеточного строения: величины и формы клеточных элементов, их распределения на слови, густоты их расположения во всем поперечнике коры и в отдельных её слоях, ширины коры и ее слоев, их деления на подслои, наличия тех или иных специальных клеточных форм в том или ином слое, распределения клеток в вертикальном направлении.

Учитывая, что, головной мозг различается у мужчин и женщин, у разных рас, этнических групп и даже внутри одной семьи, то расположение, размер и наличие цитоархитектонических полей у разных людей будут различаться.

Границы цитоархитектонических полей совпадают с функционально специализированными участками неокортекса, поэтому цитоархитектонические карты головного мозга отражают представительство различных органов чувств, моторных и ассоциативных центров.

Сведения о функциональных полях человека получены в исследованиях различного характера, при сопоставлении локальных разрушений участков коры с наблюдаемыми отклонениями в поведении, проведение прямой стимуляции коры микроэлектродами, позитронно-эмиссионной томографией и другими методами, описанными в [2, 4].

В настоящее время зависимости между цитоархитектоническими полями и их функциями не выявлены полностью. Рассмотрим то, что изучено.

Далее мы подробно рассмотрим лобную область, так как именно в ней располагаются сенсомоторные центры, которые представляют наибольший интерес для исследования, связанного с разработкой нейроинтерфейсов.

Функциональные центры лобной области.

Рассмотрим организацию сенсомоторных центров в полях 4 и 6, входящих в состав предцентральной извилины лобной доли головного мозга.

Между синей и красной линиями лежат моторные центры коры, а между красной и зелёной линиями — сенсомоторные.

Сенсомоторные центры мозга человека, отмеченные на рисунке 5:

1 — корень языка; 2 — гортань; 3 — нёбо; 4 — нижняя челюсть; 5 — язык; 6 — нижняя часть лица; 7 — верхняя часть лица; 8 — шея; 9 — пальцы руки; 10 -кисть; 11 — рука от плеча до кисти; 12 — плечо; 13 — лопатка; 14 — грудь; 15 — живот; 16 — голень; 17 — колено; 18 — бедро; 19 — пальцы ноги; 20 — большой палец ноги; 21 — четыре пальца ноги; 22 — стопа; 23 — лицо; 24 — глотка.

Рис. 1. — Сенсомоторные центры мозга человека (по данным разных авторов).

Рассмотрим организацию сенсомоторных центров (Рис. 2) в полях 8, 9, 44, 45, 46, входящих в лобные области головного мозга.

Рис. 2. — Сенсомоторные центры лобной области мозга человека (по данным разных авторов)

Сенсомоторные центры мозга человека.

• 1) моторное речевое поле, или зона Брока (поле 44, 45);
• 2) поле контроля над согласованными движениями (поле 46);
• 3) координация движений глаз (поле 8);
• 4) поле слежения за объектом и центр контроля движений глаз, связанные с вниманием (46);
• 5) тонус конечностей с противоположной стороны тела (поле 8);
• 6) сочетанное вращение тела (поле 8)
• 7) контроль над движениями глаз и головы в противоположную сторону, статика головы (поле 8).

Предцентральные области, ответственные за сложные произвольные движения, интегрированы со специализированными моторными полями. При помощи этих полей осуществляются сложные координированные движения глаз, головы, рук и всего тела. Именно поэтому в неокортексе человека отсутствуют резкие цитоархитектонические границы между предцентральной и лобной областями.

Зона Брока (поля 44 и 45) является своеобразной надстройкой над моторными и сенсорными полями, расположенными вокруг центральной борозды. Размер этих полей непостоянен и может различаться у отдельных людей в несколько раз.

Мы подробно описали основные функциональные центры лобной области. Теперь кратко рассмотрим функции других областей коры головного мозга.

• · Островковая область отвечает за приём и анализ вкусовых ощущений, а также осознанно контролирует процесс питания.
• · Височная область отвечает за слух и анализ полученных звуков, а также отвечает за вестибулярный аппарат.
• · Теменная область, как и лобная, составляет значительную часть полушарий головного мозга. Функция теменной доли связана с восприятием и анализом чувствительных раздражений, пространственной ориентацией.
• · Затылочная область связана с восприятием и переработкой зрительной информации, организацией сложных процессов зрительного восприятия. [9, 10]

Представлена глобальная структура головного мозга. Представлен обзор современных представлений по локализации функций в коре головного мозга. Показано, что локализация функций совпадает с локализацией различных структурных элементов мозга. Отметим, что в связи с большой изменчивостью головного мозга, представленные данные имеют приближенный характер. У каждого человека функциональные зоны будут разными по площади и немного отличаться по расположению.

На данный момент существует много различного рода «пробелов» в понимании организации головного мозга и функций различных его разделов. Проблема локализации функций в коре головного мозга полностью не решена. Поэтому оправдано огромное внимание исследователей к изучению структуры и построению модели головного мозга.

• 1. Лурия А. Р. Высшие корковые функции человека и их нарушения при локальных поражениях мозга. Москва: «Издательство Московского университета», 1962. 426 с.
• 2. Гужов В. И., Винокуров А. А. Методы исследования структуры и функционального состояния головного мозга // Автоматика и программная инженерия. 2014. № 3 (9). С. 80−88.
• 3. Katrin Amunts, Claude Lepage, Louis Bor-geat, Hartmut Mohlberg, Timo Dickscheid, Marc-Йtienne Rousseau, Sebastian Bludau, Pierre-Louis Bazin, Lindsay B. Lewis, Ana-Maria Oros-Peusquens, Nadim J. Shah, Thomas Lippert, Karl Zilles, Alan C. Evans. REPORT BigBrain: An Ultrahigh-Resolution 3D Human Brain Model. DOI: 10.1126/science.1 235 381. Science 21 June 2013: Vol. 340 no. 6139. pp.1472−1475.
• 4. Белик Д. В., Дмитриев Н. А., Пустовой С. А. Исследование путей аудиоцветовизуальной стимуляции полей памяти мозга в после-инсультный период // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2014): тр. 12 междунар. конф., Новосибирск, 2−4 окт. 2014 г.: в 7 т. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. С. 120−124.
• 5. M. Hallett. Transcranial magnetic stimulation and the human brain. Nature 406. 2000. pp. 147−150.
• 6. Федотов А. А. Измерительный преобразователь вызванных аудиторных потенциалов биоэлектрической активности мозга // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1107.
• 7. Миняева Н. Р. Вызванная активность мозга при восприятии фигур Канизса // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1131.
• 8. Kuo C-C, Luu P, Morgan KK, Dow M, Davey C. Localizing Movement-Related Primary Sensorimotor Cortices with Multi-Band EEG Frequency Changes and Functional MRI. PLoS ONE 9(11): e112103. 2014. p. 14
• 9. Савельев С. В. Возникновение мозга человека. М: ВЕДИ, 2010. 324 с.: ил.
• 10. Хомская Е. Д. Нейропсихология: 4-е издание. СПб.: Питер, 2005. 496 с.: ил.