сенсорная карта мозга пенфилда
Сенсорные и моторные гомункулы Пенфилда: что это?
В области неврологии они очень известны корковые или гомункулы Пенфилда Гуманизированные представления о распределении нервов и структур мозга, которые связаны с моторными и сенсорными функциями. Для этих двух аспектов были созданы разные гомункулы, так как топография головного мозга варьируется между ними.
Эти существа похожи на людей, хотя их члены не очень пропорциональны; такие нарушения очень полезны для концептуализации дифференциальной иннервации частей тела, ключевого аспекта в морфологии гомункулов.
Что такое гомункулус Пенфилда?
С 1937 по 1954 год американский нейрохирург Уайлдер Пенфилд и его сотрудники разработали различные представления о поразительном аспекте топографии мозга: наличие «карт» нервных путей, как сенсорных, так и моторных, в коре.
Это привело к тому, что Пенфилд был вдохновлен относительным весом каждой функции в коре головного мозга для создания символических образов «гомункула», латинского термина, который переводится как «маленький человек» и часто использовался повсюду истории для обозначения искусственных людей, особенно в контексте художественных произведений.
Учитывая, что между моторными и сенсорными функциями существуют дифференцированные топографические представления о головном мозге, мы можем найти два гомункула с отличительными характеристиками который стоит детализировать.
Какова его форма?
Гомункул Пенфилда был описан как гротеск его собственным автором из-за неправильности его морфологии: в то время как руки, рот, глаза и уши непропорционально велики по сравнению с человеческим телом, остальная часть гомункула имеет слабый внешний вид.
Сравнение между огромными руками и руками, хрупкими и тонкими, особенно поразительно. Эти характеристики даже более заметны в случае моторного гомункула, чем в сенсорном, так как функции, связанные с движением, распределены менее, чем сенсорные.
Причиной специфического аспекта гомункулов являются различия в иннервации различных частей тела : чем интенсивнее и сложнее связь между одним из них и мозгом, тем больше размер соответствующего участка коры головного мозга.
Сенсорный гомункулус и соместическая кора
Этот гомункулус выглядит несколько менее непропорционально, чем двигатель. Тем не менее, лицо и руки очень большие по сравнению с остальной частью тела, потому что эти регионы наделены многими кожными рецепторами ; плотность этих клеток в части тела определяет размер их коркового представления.
Сомстетическая кора получает большую часть проекций сенсорной информации, которая достигает мозга через таламус, структуру, которая действует как точка соединения между корой и другими более периферическими областями.
Эта часть коры головного мозга занимается не только стимуляцией из внешнего мира, но и также обрабатывает информацию о проприоцепции то есть ощущения, которые организм ощущает относительно взаимного расположения мышц. Это чувство является основополагающим для движения, позы или баланса, среди других функций.
Моторный гомункулус и первичная моторная кора
Корковое представление двигательных нервов и соответствующих кожных рецепторов он расположен в первичной коре двигателя, в центральной канавке область лобной доли, которая находится прямо рядом с некоторой синтетической корой; следовательно, два кортикальных гомункула очень близки друг к другу.
Первичная моторная кора является наиболее важной областью мозга для функционирования двигательной системы: она получает привязанности от таламуса и работает вместе с остальными регионами, связанными с движением, такими как дополнительная моторная кора, для разработки и выполнения двигательных схем.
Внешний вид моторного гомункула еще более гротескен, чем у сенсорного: его рот, глаза и особенно его руки огромны по сравнению с туловищем, руками или ногами. Это связано с большая специфичность в расположении рецепторов и двигательных нервов гораздо менее многочисленны, чем сенсорные в большой части тела.
Поскольку синаптические связи, лежащие в основе нервной системы, изменяются в течение жизни в зависимости от опыта и практики, моторный гомункулус изменяется с течением времени у одного и того же человека и отличается больше, чем сенсорный. межиндивидуальная плоскость.
Сенсорный и моторный гомункул (November 2021).
Человечки Пенфилда
Для того чтобы понять, каким образом могут изменяться так называемые карты мозга, мы должны, в первую очередь, разобраться с тем, что они собой представляют. Впервые карты мозга человека были составлены в 1930-х годах канадским нейрохирургом доктором Уайлдером Пенфилдом из Монреальского неврологического института. Для Пенфилда «составление карты» мозга пациента означало определение проекционных зон коры мозга, где представлены различные части тела и происходит обработка информации о совершаемых ими действиях. Было обнаружено, что кора мозга в области лобных долей включает моторную (т. е. двигательную) систему, которая координирует движения наших мышц, а еще три зоны коры — височная, теменная и затылочная — образуют сенсорную (чувственную) систему мозга, обрабатывающую сигналы, посылаемые в мозг от органов чувств (глаза, уши, рецепторы прикосновения и т. д.).
В течение многих лет Пенфилд составлял карты сенсорной и двигательной зон коры мозга на основе информации, которую получал, оперируя мозг пациентов, больных раком и эпилепсией. Поскольку в мозге человека нет болевых рецепторов, такие пациенты во время операции остаются в сознании. Пенфилд обнаружил: если прикоснуться специальным электродом к сенсорной зоне мозга, то это вызывает в теле пациента определенные ощущения. Он использовал электрический зонд (электрод) для того, чтобы отличать здоровую ткань (которую следует сохранить) от злокачественных новообразований или патологической ткани, требующей удаления.
Обычно, когда кто-то или что-то касается руки человека, в спинной мозг поступает электрический сигнал. Далее этот сигнал проходит в головной мозг, в те зоны коры, которые позволяют руке почувствовать это прикосновение. Пенфилд выяснил, что может заставить пациентов ощутить как бы прикосновение к руке, воздействовав электрическим разрядом на зону мозга, соответствующую области руки. Когда он стимулировал в мозге другую часть проекционных точек руки, то пациент ощущал прикосновение к плечу, кисти, пальцам и т. д. Стимулирование совсем другой проекционной зоны мозговой карты вызывало ощущения прикосновения к лицу. Со временем Пенфилд составил сенсорную карту мозга, где была представлена поверхность всех частей тела[35].
Пенфилд проделал то же самое для двигательной карты, то есть выявил зоны коры мозга, контролирующие движения. Прикасаясь к различным зонам, он вызывал у пациента движения в области ноги, руки, лица и других мышц.
Одно из главных открытий, сделанных Пенфилдом, заключалось в том, что сенсорные и двигательные зоны мозга так же, как географические карты, имеют топографический характер. Это означает, что соседние участки тела человека, как правило, представлены в соседних участках карт мозга. Он также выяснил, что, прикасаясь к определенным частям карты, можно вызвать давно утраченные воспоминания детства или фантастические сцены, а это означает, что психическая активность более высокого уровня также отображена на карте мозга.
Составленные Пенфилдом карты определяли представление о мозге нескольких поколений ученых. Однако, следуя убеждению о невозможности изменения мозга, они считали, что эти карты постоянны, неизменны и универсальны — одинаковы для каждого из нас, — хотя сам Пенфилд никогда не утверждал ничего подобного.
Мерцених выяснил, что карты мозга не являются неизменными и универсальными, а имеют разные границы и размеры у различных людей. С помощью серии блистательных экспериментов он продемонстрировал, что форма карт мозга меняется в зависимости от того, чем мы занимаемся на протяжении жизни. Но для того чтобы доказать это, ему требовался гораздо более тонкий инструмент, чем электроды Пенфилда.
Мерцених, во время учебы на последних курсах Университета Портленда, вместе с другом использовал оборудование лаборатории электроники, позволяющее зарегистрировать «кривую» электрической активности в нейронах насекомых. Эти эксперименты привлекли внимание одного из профессоров, который восхищался талантом и любознательностью Мерцениха и дал ему рекомендации для поступления в аспирантуру Гарвардского университета и Университета Джонса Хопкинса. Мерцених был принят в оба университета, но остановил свой выбор на Университете Джонса Хопкинса, где получил степень кандидата по физиологии под руководством одного из виднейших нейрофизиологов того времени Вернона Маунткастла. Последний в 1950-х годах доказывал, что подробности карт мозга можно выяснить благодаря изучению электрической активности с помощью новой методики — используя микроэлектроды.
Микроэлектроды настолько малы и чувствительны, что их можно ввести внутрь одного нейрона (или рядом с ним) и регистрировать момент, когда этот конкретный нейрон посылает электрический сигнал другим нейронам. Сигнал нейрона передается с микроэлектрода на усилитель, а затем на экран осциллографа, где он появляется в виде резкого выброса (так называемого спайка) на «кривой электрической активности». Именно с помощью микроэлектродов Мерцених совершил большинство своих главных открытий.
Это важное изобретение позволило нейрофизиологам регистрировать взаимодействие нейронов, общее количество которых в мозге взрослого человека оценивается примерно в 100 миллиардов. Используя более грубые электроды, вроде тех, которыми пользовался Пенфилд, ученые могли наблюдать лишь одновременное возбуждение тысяч нейронов.
Микрокартирование и сейчас дает информацию, которая примерно в тысячу раз точнее, чем сканирование мозга на аппаратах самого последнего поколения. Дело в том, что длительность возникающего в нейроне электрического сигнала нередко составляет тысячную долю секунды, поэтому сканеры мозга упускают огромное количество информации[36]. Несмотря на это, микрокартирование не может заменить сканирование мозга в медицине, потому что требует проведения крайне трудоемких операций, осуществляемых под микроскопом с помощью микрохирургических инструментов.
Мерцених сразу же начал активно использовать эту методику. Он хотел уточнить карту той области мозга, где происходит обработка ощущений от прикосновения к руке. Мерцених удалил кусочек черепа обезьяны над соответствующей сенсорной зоной коры, сделав «окно» в черепе размером один на два миллиметра, а затем установил микроэлектрод рядом с первым попавшимся сенсорным нейроном. После этого он постукивал по кисти обезьяны, пока не доходил до того участка — например, кончика пальца, — прикосновение к которому заставляло нейрон передавать электрический сигнал на микроэлектрод. Таким образом он записывал местоположение одного из нейронов, представляющих в сенсорной коре кончик пальца, отмечая первую точку на карте. Затем он устанавливал микроэлектрод рядом с другим нейроном и искал то место, прикосновение к которому «включало» этот нейрон. Он проделывал это до тех пор, пока не была составлена карта всей кисти. Для составления такой карты требуется огромное число перемещений микроэлектрода. Мерцених и его коллеги в ходе своих исследований провели тысячи подобных экспериментов.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Врач к.м.н. Андрей Беловешкин
Школа ресурсов здоровья: курсы, консультации, исследования.
Люди в вашем мозгу: гомункулюс Пенфилда
гомункулюс Пенфилда в Британском музее
Известный ученый Пенфилд использовал информацию, полученную в ходе сотен операций на мозге, для создания функциональных карт коры (поверхности) мозга. Он обобщил результаты картографии основных моторных и сенсорных областей коры и впервые точно нанёс на карту корковые области, касающиеся речи. С помощью метода электрической стимуляции отдельных участков мозга Пенфилдом было установлено точное представительство в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Таким образом, этого человечка придумал канадский ученый Пенфилд, который таким наглядным образом изобразил мозг человека.
Схематично его изображают в виде «гомункулуса» (человечка), части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Пропорции этого человечка соответствуют представлению нашего тела в коре головного мозга. Около трети занимает кисть руки, еще треть — губы, язык, гортань, т.е. речевой аппарат, остальное тело непропорционально мало. Поэтому пальцы рук, губы и язык с большим числом нервных окончаний изображаются крупнее, чем туловище и ноги. Оказывается, фигура сенсорного (чувствительного) гомункулюса стоит в Британском музее вместе с моторным (двигательным).
 |
| Прецентральная и постцентральная извилины. |
Вот еще несколько интересностей:
1. Стимуляция (любая) кистей, лица приводит к возбуждению больших участков коры головного мозга. Поэтому эффективно делать тонизирующий массаж лица, умываться холодной водой, разминать точки на лице – это замечательно расслабляет и бодрит. Мой любимый способ взбодрится: растирание кончиками пальцев до ощущения яркого тепла крыльев носа, потом надбровных дуг, потом скул, потом перед и за ушной раковиной. Пять минут – и вы как новый.
2. Большое представительство речевого аппарата отражает важность речи в нашей эволюции. Поэтому активное возбуждение в коре может передаваться на моторную извилину и отражаться на нашей речи. Также для «борьбы» с человечком Пенфилда при заикании используют многочисленные тормозные методики, снижающие повышенный тонус речевого центра: от транквилизаторов, суггестии и гипноза до иглоукалывания, физио-, психотерапии. От замедления темпа речи через ритмизацию и напевность до продолжительного молчания. Все эти методики, придуманные врачами и логопедами, также подходят для лечения заикания.
3. Для интеллектуального развития и речи у детей важно развитие моторики кистей. Из гомункулюса следует, что две трети головного мозга заняты работой рук и речевого аппарата. И лишь маленькая треть отводится всему остальному телу. И этот чудак с большим ртом и огромными загребущими руками – это мы в истинном свете головного мозга.
4. Глядя на двигательного гомункулюса, сразу становится понятно, почему люди не замечают, когда сутулятся. Спина минимально представлена в сенсорном мозге, а в моторном еще меньше. Она по сути размером с язык, трудно его отследить.
5. Мы не воспринимаем наше тело, так как оно есть в реальности. И это может породить кучу проблем. Иллюзии сенсорной чувствительности могут быть источником проблем, например у анорексиков. Чувствительность подсказывает им, что они слишком толстые, и, хотя глаза говорят о другом, в работе двух систем восприятия происходит рассогласование. В большинстве ситуаций чувствительность «подстраховывают» зрение и осязание, потому что обычно мы видим собственные руки, ноги и туловище и параллельно понимаем, что к чему-то прикоснулись.
6. Карты мозга не являются неизменными и универсальными, а имеют разные границы и размеры у различных людей. Форма карт мозга меняется в зависимости от того, чем мы занимаемся на протяжении жизни. В 1960-е годы, когда Мерцених приступил к использованию микроэлектродов для изучения мозга, двое других ученых, тоже работавших в Институте Джонса Хопкинса под руководством Маунткастла, обнаружили, что у очень молодых животных мозг пластичен. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел проводили микрокартирование зрительной зоны коры мозга с целью изучения процесса обработки визуальной информации. Они устанавливали микроэлектроды в зрительной зоне коры мозга котят и выяснили, что информация о линиях, ориентации и движениях визуально воспринимаемых объектов обрабатывается в разных частях коры. Они также открыли существование «критического периода» между третьей и восьмой неделями жизни, когда мозг новорожденных котят должен получать визуальную стимуляцию для нормального развития. В ходе одного из экспериментов Хьюбел и Визел зашили веко на одном глазу котенка на время периода раннего развития, чтобы этот глаз не получал визуальной стимуляции. Когда они освободили глаз котенка от швов, то обнаружили, что те зрительные области на карте мозга, которые обрабатывают информацию, поступающую от закрытого глаза, не получили никакого развития, в результате чего животное осталось слепым на этот глаз на всю жизнь. Стало очевидно, что есть некий критический период, когда мозг котят особенно пластичен, и его структура формируется под влиянием опыта.
Человечки Пенфилда
В течение многих лет Пенфилд составлял карты сенсорной и двигательной зон коры мозга на основе информации, которую получал, оперируя мозг пациентов, больных раком и эпилепсией. Поскольку в мозге человека нет болевых рецепторов, такие пациенты во время операции остаются в сознании. Пенфилд обнаружил: если прикоснуться специальным электродом к сенсорной зоне мозга, то это вызывает в теле пациента определенные ощущения. Он использовал электрический зонд (электрод) для того, чтобы отличать здоровую ткань (которую следует сохранить) от злокачественных новообразований или патологической ткани, требующей удаления.
Обычно, когда кто-то или что-то касается руки человека, в спинной мозг поступает электрический сигнал. Далее этот сигнал проходит в головной мозг, в те зоны коры, которые позволяют руке почувствовать это прикосновение. Пенфилд выяснил, что может заставить пациентов ощутить как бы прикосновение к руке, воздействовав электрическим разрядом на зону мозга, соответствующую области руки. Когда он стимулировал в мозге другую часть проекционных точек руки, то пациент ощущал прикосновение к плечу, кисти, пальцам и т. д. Стимулирование совсем другой проекционной зоны мозговой карты вызывало ощущения прикосновения к лицу. Со временем Пенфилд составил сенсорную карту мозга, где была представлена поверхность всех частей тела35.
35 Карту чувственных зон в коре мозга нередко изображают в виде «человечка Пенфилда». Этот проекционный человечек (нарисованный с учетом соотношения представительств разных частей тела) выглядит своеобразно. У него чрезмерно увеличены зоны тела, обладающие особой, хорошо дифференцированной, тонкой чувствительностью: руки (особенно подушечки пальцев), губы и т. п. А самых невероятных размеров у этого чувствительного человечка достигает… язык. — Прим. ред.
Пенфилд проделал то же самое для двигательной карты, то есть выявил зоны коры мозга, контролирующие движения. Прикасаясь к различным зонам, он вызывал у пациента движения в области ноги, руки, лица и других мышц.
Одно из главных открытий, сделанных Пенфилдом, заключалось в том, что сенсорные и двигательные зоны мозга так же, как географические карты, имеют топографический характер. Это означает, что соседние участки тела человека, как правило, представлены в соседних участках карт мозга. Он также выяснил, что, прикасаясь к определенным частям карты, можно вызвать давно утраченные воспоминания детства или фантастические сцены, а это означает, что психическая активность более высокого уровня также отображена на карте мозга.
Составленные Пенфилдом карты определяли представление о мозге нескольких поколений ученых. Однако, следуя убеждению о невозможности изменения мозга, они считали, что эти карты постоянны, неизменны и универсальны — одинаковы для каждого из нас, — хотя сам Пенфилд никогда не утверждал ничего подобного.
Мерцених выяснил, что карты мозга не являются неизменными и универсальными, а имеют разные границы и размеры у различных людей. С помощью серии блистательных экспериментов он продемонстрировал, что форма карт мозга меняется в зависимости от того, чем мы занимаемся на протяжении жизни. Но для того чтобы доказать это, ему требовался гораздо более тонкий инструмент, чем электроды Пенфилда.
Мерцених, во время учебы на последних курсах Университета Портленда, вместе с другом использовал оборудование лаборатории электроники, позволяющее зарегистрировать «кривую» электрической активности в нейронах насекомых. Эти эксперименты привлекли внимание одного из профессоров, который восхищался талантом и любознательностью Мерцениха и дал ему рекомендации для поступления в аспирантуру Гарвардского университета и Университета Джонса Хопкинса. Мерцених был принят в оба университета, но остановил свой выбор на Университете Джонса Хопкинса, где получил степень кандидата по физиологии под руководством одного из виднейших нейрофизиологов того времени Вернона Маунткастла. Последний в 1950-х годах доказывал, что подробности карт мозга можно выяснить благодаря изучению электрической активности с помощью новой методики — используя микроэлектроды.
Микроэлектроды настолько малы и чувствительны, что их можно ввести внутрь одного нейрона (или рядом с ним) и регистрировать момент, когда этот конкретный нейрон посылает электрический сигнал другим нейронам. Сигнал нейрона передается с микроэлектрода на усилитель, а затем на экран осциллографа, где он появляется в виде резкого выброса (так называемого спайка) на «кривой электрической активности». Именно с помощью микроэлектродов Мерцених совершил большинство своих главных открытий.
Это важное изобретение позволило нейрофизиологам регистрировать взаимодействие нейронов, общее количество которых в мозге взрослого человека оценивается примерно в 100 миллиардов. Используя более грубые электроды, вроде тех, которыми пользовался Пенфилд, ученые могли наблюдать лишь одновременное возбуждение тысяч нейронов.
Микрокартирование и сейчас дает информацию, которая примерно в тысячу раз точнее, чем сканирование мозга на аппаратах самого последнего поколения. Дело в том, что длительность возникающего в нейроне электрического сигнала нередко составляет тысячную долю секунды, поэтому сканеры мозга упускают огромное количество информации36. Несмотря на это, микрокартирование не может заменить сканирование мозга в медицине, потому что требует проведения крайне трудоемких операций, осуществляемых под микроскопом с помощью микрохирургических инструментов.
36 Сканирование мозга, такое как функциональная магнитно-резонансная томография, позволяет измерять активность в участке мозга размером в 1 мм. Однако размер нейрона в поперечнике, как правило, равен тысячной миллиметра. S. P. Springer and G. Deutsch. 1999. Left brain, right brain: Perspectives from cognitive neuroscience. New York: W. H. Freeman & Co., 65.
Мерцених сразу же начал активно использовать эту методику. Он хотел уточнить карту той области мозга, где происходит обработка ощущений от прикосновения к руке. Мерцених удалил кусочек черепа обезьяны над соответствующей сенсорной зоной коры, сделав «окно» в черепе размером один на два миллиметра, а затем установил микроэлектрод рядом с первым попавшимся сенсорным нейроном. После этого он постукивал по кисти обезьяны, пока не доходил до того участка — например, кончика пальца, — прикосновение к которому заставляло нейрон передавать электрический сигнал на микроэлектрод. Таким образом он записывал местоположение одного из нейронов, представляющих в сенсорной коре кончик пальца, отмечая первую точку на карте. Затем он устанавливал микроэлектрод рядом с другим нейроном и искал то место, прикосновение к которому «включало» этот нейрон. Он проделывал это до тех пор, пока не была составлена карта всей кисти. Для составления такой карты требуется огромное число перемещений микроэлектрода. Мерцених и его коллеги в ходе своих исследований провели тысячи подобных экспериментов.
Критические периоды бывают и у мозга
Примерно в это же время было сделано важное открытие, которое навсегда изменило работу Мерцениха. В 1960-е годы, когда Мерцених приступил к использованию микроэлектродов для изучения мозга, двое других ученых, тоже работавших в Институте Джонса Хопкинса под руководством Маунткастла, обнаружили, что у очень молодых животных мозг пластичен. Дэвид Хьюбел и Торстен Визел проводили микрокартирование зрительной зоны коры мозга с целью изучения процесса обработки визуальной информации. Они устанавливали микроэлектроды в зрительной зоне коры мозга котят и выяснили, что информация о линиях, ориентации и движениях визуально воспринимаемых объектов обрабатывается в разных частях коры. Они также открыли существование «критического периода» между третьей и восьмой неделями жизни, когда мозг новорожденных котят должен получать визуальную стимуляцию для нормального развития. В ходе одного из экспериментов Хьюбел и Визел зашили веко на одном глазу котенка на время периода раннего развития, чтобы этот глаз не получал визуальной стимуляции. Когда они освободили глаз котенка от швов, то обнаружили, что те зрительные области на карте мозга, которые обрабатывают информацию, поступающую от закрытого глаза, не получили никакого развития, в результате чего животное осталось слепым на этот глаз на всю жизнь. Стало очевидно, что есть некий критический период, когда мозг котят особенно пластичен, и его структура формируется под влиянием опыта.
Проанализировав карту мозга для слепого глаза, Хьюбел и Визел сделали еще одно неожиданное открытие, связанное с нейропластичностью. Та часть мозга, в которую не поступала информация от закрытого глаза, не бездействовала. Она начала обрабатывать визуальную информацию от открытого глаза, словно в мозгу не должны простаивать впустую никакие «корковые площади». То есть мозг опять нашел способ перестроить сам себя — что стало еще одним свидетельством его особой пластичности в критический период. За эту работу Хьюбел и Визел были удостоены Нобелевской премии. Однако, даже обнаружив существование пластичности мозга в раннем детском возрасте, исследователи не «переносили» эту пластичность на мозг взрослого человека.