Одна из важнейших функций, которую выполняет наш мозг, — это управление движением. Двигательных центров мозга очень много. Если сложить их все вместе, получится примерно столько же, сколько все сенсорные системы, вместе взятые. То есть наше движение — это не что-то похожее на зрение или на слух. Это все вместе: и зрение, и слух, и кожная чувствительность, и обоняние, и вкус… Если все это просуммировать, получится объем, примерно равный суммарному объему, скажем, мозжечка, базальных ганглиев и других структур, которые управляют движениями. Собственно движения ― это мышечные сокращения. И если начинать с самого простого, то нужно несколько слов сказать о мотонейронах.

Мотонейроны ― это особые нервные клетки, которые работают с поперечно-полосатыми мышечными клетками и запускают их сокращения за счет выделения ацетилхолина. И львиная доля мотонейронов находится в сером веществе спинного мозга, в его передних рогах, и аксоны направляются к мышцам наших конечностей, нашего туловища. Кроме того, много мотонейронов находится в головном мозге, и через черепные нервы они дотягиваются до мышц нашей головы, мимических мышц, глазодвигательных мышц, мышц языка и так далее. Аксон мотонейрона на конце обычно ветвится, и в итоге один мотонейрон управляет несколькими мышечными клетками. Совокупность мышечных клеток, которые управляются одним мотонейроном, называется двигательная единица. Наши мышцы организованы так, что двигательная единица может иметь разную величину. И чем тоньше движение, чем тоньше должно быть управление мышцей, тем меньше двигательная единица.

Наиболее тонкие движения выполняют наши глазодвигательные мышцы. Там в состав двигательной единицы входит всего 5–10 мышечных клеток, то есть один мотонейрон работает с очень небольшим количеством сократительных единиц. Если мы говорим, например, о пальцах или о мимических мышцах, там один мотонейрон управляет несколькими десятками мышечных клеток. Бицепсы, трицепсы, мышцы конечностей ― там один мотонейрон, командир для нескольких сотен мышечных клеток. Самые грубые движения выполняют мышцы нашего туловища, мышцы спины, брюшной пресс ― там один мотонейрон командует тысячами мышечных клеток. И соответственно, мышцы спины не могут совершать какие-то тонкие движения.

Рекомендуем по этой теме:
20254
Что такое гуморальная регуляция?

Если смотреть, кто управляет мотонейронами, то оказывается, что есть много центров и внутри спинного мозга, и внутри головного мозга, которые посылают команды непосредственно к этим клеткам и к тем нейронам серого вещества спинного мозга, которые окружают мотонейроны. И самые разные типы движений задействуют один и тот же мотонейрон. То есть специфика организации наших двигательных систем такова, что одно и то же мышечное сокращение может быть включено в состав самых разных движений. Вообще говоря, движения, которые мы делаем, делятся на четыре больших типа. Это движения рефлекторные, локомоторные, движения произвольные и движения автоматизированные.

Рефлекторные движения (от слова «рефлекс») — реакция на какой-то стимул. Они возникают как ответ на некое сенсорное раздражение. В распоряжении мозга имеются цепочки нервных клеток, которые срабатывают, если самый первый нейрон ― сенсорный нейрон ― выдал электрический импульс. Эти рефлекторные дуги могут быть врожденными, или мы можем научиться реализовывать тот или иной рефлекс, но в любом случае запускающим фактором является именно сенсорный сигнал. Есть сигнал ― есть рефлекс, нет сигнала — мы ничего не делаем. Все знают примеры основных врожденных двигательных рефлексов (скажем, рефлекс отдергивания от источника боли или, например, коленный рефлекс). Тут еще важно осознавать биологический смысл этих рефлексов, потому что если рефлексы врожденные, то, значит, эволюция их зачем-то сформировала. И скажем, в случае рефлекса отдергивания от источника боли смысл очевиден: мы избегаем повреждения нашей кожной поверхности или каких-то более глубоких структур.

А в случае, например, коленного рефлекса здесь не очень понятно, зачем это нужно. Коленный рефлекс — это ситуация, когда происходит легкий, но резкий удар по сухожилию четырехглавой мышцы бедра, то есть под коленную чашечку, и в ответ на этот удар четырехглавая мышца бедра сокращается, коленка распрямляется, ваша нога идет вперед. Как рефлекс это выглядит забавно, но не очень понятно, для чего он существует. На самом деле рефлексы вроде коленного — они называются миотатические — нужны в первую очередь для поддержания позы. Миотатические рефлексы возникают тогда, когда на мышцу поступает некая дополнительная нагрузка. И они представляют собой как бы упрямство на мышечном уровне. Представьте себе, что вы стоите посреди вагона метро и вдруг этот вагон начинает тормозить. В тот момент, когда начинается торможение, начинается перераспределение нагрузки на ваши ноги. И на ноге с той стороны, куда вы начали заваливаться, сухожилия сильнее растягиваются, ее мышцы сильнее растягиваются, и в ответ на это растяжение включаются дуги, похожие на дуги коленного рефлекса, мышца сильнее напрягается, и в итоге тело в целом пытается сохранить позу.

Еще известным примером рефлекса является реакция захвата пальца младенцем. Если вы прикасаетесь к его ладошке, он хватается за ваш палец. Это древний рефлекс, который позволял обезьяньим детенышам держаться на маминой шерсти. Собственно, и сейчас обезьяньи детеныши это делают. Женщины уже давно не покрыты таким толстым волосяным покровом, но рефлекс остался. Это вроде такого физиологического рудимента, который показывает, откуда пошел наш биологический вид. Еще, конечно, всем известны такие рефлексы, как зевание, икание, кашель. Опять же, у каждого из них есть свой биологический смысл.

Скажем, когда мы кашляем, мы освобождаем наши дыхательные пути от каких-то посторонних предметов. А икание нужно для того, чтобы выгнать из желудка, например, попавший туда лишний воздух. Что интересно, эти рефлекторные дуги имеют, как правило, длинную эволюционную историю. То же самое икание — это рефлекс, который, судя по всему, достался нам от амфибий. То есть в тот момент, когда головастик, который раньше дышал жабрами, выращивает легкие, ему нужен подобный рефлекс, потому головастик одновременно дышит и легкими, и жабрами. И в тот момент, когда он погрелся на солнышке и ныряет в воду, ему нужно закрывать легкие и переходить на дыхание жабрами. В чем, собственно, состоит икание? Вы начинаете вдох, а потом резко закрываете голосовую щель, и звук, который раздается при икании, — это знак закрытия нашей гортани. Это и нужно головастику, для того чтобы вода не попала в развивающиеся легкие. А дальше нейронные контуры уже переходят к другим позвоночным и начинают использоваться, например, для того, чтобы пищеварительная система правильно, хорошо функционировала.

Рекомендуем по этой теме:
19925
Главы: Как работают мышцы

Зевание до сих пор остается достаточно загадочным рефлексом, потому что существует несколько объяснений, зачем мы зеваем. Есть идея, что мы зеваем для того, чтобы охладить мозг, потому что идет интенсивная вентиляция различных полостей внутри головы. Есть идея о том, что в этот момент усиливается кровоток. Есть идея о том, что при зевании стимуляция мимических мышц дает активационный поток в мозг и от этого мы как бы пробуждаемся. Наконец, зевание у обезьян используется еще и как вид коммуникации: при зевании доминирующий самец показывает клыки и вообще говорит, что «я тебя вообще не боюсь, мне скучно в твоем присутствии». Все эти факторы, видимо, сосуществуют и объясняют присутствие зевательного рефлекса в нашем поведении.

Второй тип движений называется локомоция. Локомоция (locomotion) ― это перемещение в пространстве. То есть в эту категорию попадают движения, связанные с ритмичным сгибанием и разгибанием конечностей, которые позволяют плавать, ходить, бегать. И это отдельные программы, во многом врожденно заданные, но не рефлексы, потому что в случае локомоций двигательная программа и движения в основном циркулируют по некому замкнутому контуру. Скажем, у нас есть четыре конечности, и у нас этот контур включает центры двух передних конечностей и двух задних конечностей. И соответственно, уже внутри каждой конечности есть мышцы-сгибатели и мышцы-разгибатели, например: бицепс, трицепс или грудные мышцы, лентовидные мышцы плеча. Эти мышцы должны ритмично попеременно работать, и поэтому для организации локомоций необходим ритм внутри каждой конечности.

Существуют специальные нейронные контуры, которые этот ритм обеспечивают. Но отдельная конечность — это только первый уровень. Дальше, для того чтобы мы эффективно ходили или бегали, нужно скоординировать движения всех четырех конечностей. Самый простой способ локомоций, или, как говорят, аллюр, ― это шаг. Если посмотреть, как мы шагаем, мы видим, что, как правило, шаг начинается с одной из задних конечностей. У человека, стало быть, с одной из ног, например с правой ноги. Потом в движение приходит рука с той же стороны, затем диагональная нога, а дальше рука с той же стороны. И потом возбуждение внутри спинного мозга движется по восьмерке. И этот контур восьмерки задан врожденно. Соответственно, это не рефлекс, но эволюционно обусловленная программа, которая позволяет нам поочередно перетаскивать вперед каждую конечность и перемещаться в пространстве.

Естественно, эта программа досталась нам от четвероногих предков, и именно поэтому мы машем руками, когда ходим. Когда-то это движение передних конечностей имело вполне конкретный физиологический смысл, а сейчас это опять же что-то вроде рудимента. Толку от этого движения рук особого нет, но мозгу проще махать руками, чем не махать, потому что если вы будете не махать, то, соответственно, вам на это придется тратить отдельные нервные силы. Но шаг ― это только первая скорость нашего организма, есть еще вторая и третья. Вторая скорость называется рысь. Тогда уже одновременно работает одна передняя и одна задняя конечность по диагонали. Этим аллюром мы бегаем или, например, солдат ходит строевым шагом. В этот момент уже одновременно срабатывают две конечности, поэтому движения оказываются более быстрыми.

Рекомендуем по этой теме:
43253
FAQ: Мышление животных

Третья скорость ― аллюр, который называется галоп. Он нехарактерен для человека, потому что, бегая на двух ногах, нам сложно перейти на этот галоп. Кенгуру это хорошо делают. При галопе одновременно срабатывают две передние и две задние конечности попеременно, к этому присоединяется очень мощное разгибание спины. В итоге галоп оказывается очень быстрым, очень мощным аллюром. Немного жаль, что мы потеряли способность так галопировать, потому что, если бы мы продолжали пользоваться всеми четырьмя конечностями для бега, наша скорость была бы 60–70 км/ч. При рыси мы не можем развивать такую скорость. А так, представляете, надел шлем, вышел на шоссе ― и вперед на работу, и, может, не понадобились бы никакие автомобили… Но, к сожалению, мы встали на две лапы. Передние используем для того, чтобы работать с орудиями труда, и, соответственно, третья скорость недоступна для нас. Хотя дети, конечно, пробуют галопировать. Кстати, китообразные (киты, дельфины), когда плывут, тоже перемещаются галопом. То есть рыба, когда плывет, изгибается в вертикальной плоскости, и это древний вариант локомоций с использованием только туловища. А у китообразных функцию задних конечностей уже выполняет огромный, мощный хвостовой плавник.

Третий тип движений — это произвольные движения, которые генерирует кора больших полушарий. И внутри коры больших полушарий есть лобная доля, отвечающая за выбор и запуск поведенческой программы. Выбором поведенческой программы занимается передняя часть лобной доли, так называемая префронтальная кора, а дальше, когда программа уже выбрана, она передается на моторную кору, на зоны, которые Бродман в свое время обозначил цифрами 4 и 6. И главную роль, конечно, играет четвертая зона ― моторная кора, где находится мышечная карта нашей поверхности. И соответственно, нервные клетки, которые там расположены, непосредственно посылают свои аксоны к мотонейронам спинного мозга. Особенно быстрая передача характерна для тонкой моторики пальцев.

Произвольные движения хороши тем, что это новые движения, которые могут реализоваться в новых условиях. Но произвольное движение отнимает у коры больших полушарий слишком много ресурсов, и мы на этих движениях порой чрезмерно концентрируемся. Поэтому эволюция придумала четвертый тип движений, который формируется тогда, когда идет повтор произвольных движений. При повторе произвольных движений мозжечок и базальные ганглии запоминают параметры этих движений и начинают сначала помогать коре больших полушарий, а потом ее и подменяют. Это автоматизированные движения, самые быстрые и самые точные движения, которые мы совершаем.