Строения и функции головного мозга человека (инфографика, видео)

Головной мозг является основным органом центральной нервной системы человека, он регулирует все процессы жизнедеятельности человека. Находится мозг в полости черепа, где он надежно защищен от внешних негативных воздействий и механических повреждений. В процессе своего развития мозг приобретает форму черепа. По внешнему виду напоминает желтоватую студенистую массу, так как в составе мозговой ткани имеется большое количество специфических липидов.

Головной мозг всегда был и остается необычайной загадкой для ученых, которую они пытаются разгадать уже тысячи лет и, наверное, еще столько же будут это делать. Это совершенный механизм, созданный природой, который позволяет человеку именоваться как homo sapiens, или человек разумный. Наш мозг – это труд миллионов лет эволюции.

Общие сведения о головном мозге

Головной мозг состоит из более чем 100 миллиардов нервных клеток. В структуре органа анатомически различают большой мозг, который состоит из правого и левого полушария, мозжечок и ствол мозга. Покрыт мозг 3 оболочками и занимает до 95% емкости черепной коробки.

Инфографика: строение мозга человека

Масса мозговой ткани у здоровых людей различная и в среднем находится в пределах 1100-1800 грамм. Никакой связи между способностями человека и весом головного мозга не установлено. У женщин, как правило, центральный орган НС весит на 200 грамм меньше, нежели у мужчин.

Головной мозг покрыт серым веществом – основным функциональным шаром, где находятся тела практически всех нейронов, которые и образуют кору головного мозга. Внутри находится белое вещество, которое состоит из отростков нейронов и являет собой проводящие пути, по которым информация попадает в кору для анализа и вслед за этим команды передаются вниз.

Не только в коре головного мозга находятся центры управления, которые называют экранными, они присутствуют и в глубине мозга, окруженные белым веществом. Такие центры называют ядерными или подкорковыми (скопления тел нервных клеток в виде ядер).

Внутри мозга находится полая система, которая состоит из 4 желудочков и нескольких проток. Она соединяется с каналом спинного мозга. Внутри этой системы циркулирует ликвор, или спинномозговая жидкость, которая выполняет защитную функцию.

Видео: Головной мозг – строение и функции

Функции головного мозга

Головной мозг имеет очень сложное строение, что соответствует и выполняемым функциям. Очень трудно перечислить их, так как сюда входит вся сфера деятельности человеческого организма. Остановимся на базовых функциях жизнедеятельности:

1. Двигательная активность . Все движения организма связаны с деятельностью участка коры мозга, которые находится в теменной доли в центральной передней извилине. Деятельность всех групп скелетных мышц находится под руководством этой части мозга.
2. Чувствительность. За эту функцию отвечает центральная задняя извилина в теменной доли коры мозга. Помимо кожной чувствительности (тактильная, болевая, температурная, барорецепторная), здесь находится и центр проприоцептивной чувствительности, который контролирует ощущение положения тела и его отдельных частей в пространстве.
3. Слух . Участок мозга, который отвечает за слух, находится в височных долях коры.
4. Зрение. Зрительный цент локализируется в затылочной оболасти коры.
5. Вкус и обоняние . Центр, который отвечает за эти функции можно найти на границе лобной и височной доли, в шлубине извилин.
6. Речь человека , как моторная функция, так и сенсорная (произношение слов и их понимание) находятся в центрах Брока и Вернике больших полушарий.
7. В продолговатом мозговом отделе находятся всеважные для жизни центры – дыхания, сердцебиения, регуляции просвета сосудов, пищевых рефлексов, например, глотания, всех защитного характера рефлексов (кашель, чиханье, рвотные движения, слезотечение и пр.), регуляции состояния гладких мышечных волокон внутренних органов.
8. Задний отдел органа регулирует поддержку равновесия и координацию двигательной активности, кроме того, там проходит множество путей, которые несут информацию в высшие и нижние центры мозга.
9. Средний мозг содержит подкорковые центры, которые регулируют зрительные, слуховые и двигательные функции на нижнем уровне.
10. Промежуточный мозг : таламус регулирует все виды чувствительности, а гипоталамус преображает нервные сигналы в эндокринные (центральный орган эндокринной системы человека), а также регулирует деятельность вегетативной нервной системы.

Это основные центры головного мозга, которые обеспечивают человеку жизнь, но существует масса других, например, центр письма, счета, музыкальный, центры характера человека, раздражительности, различие цветов, аппетита и пр.

Основные функциональные центры мозга

Оболочки мозга

Мозговая ткань заключена и защищена 3 оболочками, которые выступают непосредственным продолжением спинномозговых оболочек:

1. Мягкая – прилегает непосредственно с мозговому веществу, богата кровеносными сосудами. Эта оболочка повторяет все изгибы мозга, заходит глубоко в его борозды. Именно кровеносные капилляры данной оболочки продуцируют сосудистые сплетения мозговых желудочков, которые синтезируют ликвор.
2. Паутинная – образует пространство между первой оболочкой и собой. Она не проникает вглубь нервной ткани, а обеспечивает место для циркуляции ликвора, который препятствует проникновению в ЦНС патогенов (исполняет роль лимфы).
3. Твердая – непосредственно соприкасается с костной тканью черепа и выполняет защитную роль. От твердой мозговой оболочки отходят большие отростки, которые стабилизирует мозговое вещество внутри черепа, препятствует его смещению при травмах, а также отделяет различные анатомические участки мозга друг от друга.

Видео: Тайны мозга

Анатомические части головного мозга

Различают 5 отдельных анатомических части головного мозга, которые сформировались филоонтогенетически по разному. Начнем с самых старых частей, постепенно двигаясь к молодым участкам мозга.

Продолговатый мозг

Это самая древняя часть мозга, которая является продолжением спинного. Серое вещество здесь представлено в виде ядер черепно-мозговых нервов, а белое формирует проводящие пути вверх и вниз.

Здесь находятся важные подкорковые центры координации движений, регуляции метаболизма, равновесия, дыхания, кровообращения, защитных безусловных рефлексов.

Задняя часть мозга

Включает мост и мозжечок. Мозжечок называют еще маленьким мозгом. Он находится в задней черепной ямке и весит 120-140 грамм. Имеет 2 полушария, которые соединены между собой при помощи червя. Мост выглядит как толстый белый валик.

Задний мозг регулирует равновесие и координацию человека. Также там проходит большое количество нервных путей, которые несут информацию в высшие и нижние центры.

Средняя часть мозга

Состоит из 2 верхних (зрительных) бугорков и 2 нижних (слуховых). Здесь находится центр, который отвечает за рефлекс поворота головы в сторону шума.

Отделы головного мозга

Промежуточная часть

В него входит таламус, который выполняет роль своеобразного посредника. Все сигналы к полушариям мозга проходят только через пути таламуса. Также таламус отвечает за адаптацию организма и все виды чувствительности.

Гипоталамус представляет собой подкорковый центр, который регулирует деятельность вегетативной нервной системы, следовательно, всех внутренних органов. Он отвечает за потоотделение, терморегуляцию, просвет и тонус сосудов, частоту дыхания, сердцебиения, кишечную перистальтику, образование травных ферментов и пр. Также этот участок мозга отвечает за сон и бодрствование организма, пищевое поведение и аппетит.

Помимо этого, он является центральным органом эндокринной системы, где нервные импульсы коры головного мозга преображаются в гуморальный ответ. Гипоталамус регулирует работу гипофиза путем выработки релизинг-факторов.

Конечный (полушария мозга)

Это правое и левое полушария, которые объединяются в одно целое мозолистым телом. Конечный мозг является самой последней в эволюционном плане частью мозгового вещества у человека и занимает до 80% всей массы органа.

Поверхность имеет большое количество извилин и борозд, которые покрыты корой, где и находятся все высшие центры регуляции деятельности организма.

Полушария разделены на доли – лобную, теменную, височную и затылочную. Правое полушарие отвечает за левую часть тела, а левое наоборот. Но существуют центры, которые локализируются только в одной части и не дублируются. Как правило, у правшей они находятся в левом полушарии, а у левшей наоборот.

Кора головного мозга

Строение коры очень сложное и представляет собой многоуровневую систему. Причем не на всех участках строение одинаковое. В некоторых различают только 3 слоя клеток (старая кора), а в некоторых все 6 (новая кора). Если кору расправить, то ее площадь составит примерно 220 тысяч миллиметров квадратных.

Вся кора головного мозга функционально разделена на отдельные поля или центры (поля по Бродману), которые отвечают за ту или иную функцию в организме. Это своего рода карта того, что умеет человек, и где эти навыки спрятаны в мозгу.

Локализация функций организма в коре головного мозга

Несмотря на удивительные способности (интеллектуальные и экстрасенсорные) некоторых людей, мозг человека работает далеко не на все 100%, а только на 5-7%. Благодаря этому мозговая ткань обладает неограниченными резервными способностями, что позволяет восстанавливать нормальную функцию даже после обширных инсультов. Это также создает целое направление для научных исследований, которые стремиться заставить работать человеческий мозг на всю свою мощность. Интересно, что тогда будет под силу человеку?

Другие материалы категории:

Прогнозы и предсказания ученого на мир будущего до 2099 года

Кухонный Робот-ложка Obi (фото, видео, цена)

Новая структурно-функциональная карта делит кору больших полушарий на 180 участков.

Кора мозга устроена чрезвычайно сложно - разные её участки отличаются друг от друга как по функциям, так и по клеточному устройству. Естественно, тем, кто начал заниматься мозгом, очень скоро понадобилась «карта местности» для мозговой коры, и своеобразным золотым стандартом тут стала система цитоархитектонических полей, опубликованная немецким неврологом Корбинианом Бродманом ещё в 1909 году.

Новая карта мозга, построенная по данным МРТ. (Фото Matthew F. Glasser, David C. Van Essen.)

Активация (оранжевым и красным) и инактивация разных участков коры левого полушария при прослушивании историй. (Фото Matthew F. Glasser, David C. Van Essen.)

Эти поля отличаются по морфологии клеток и по тому, как клетки в них уложены друг относительно друга (то есть по клеточной цитоархитектонике). Поля Бродмана оказались необычайно полезны, но всё же у ни были некоторые существенные минусы.

Во-первых, сам Бродман построил свою карту на материале всего одного мозга, взятого от умершего человека. В дальнейшем строение полей коры уточняли уже на более разнообразном материале, и к чистой морфологическим параметрам добавились функции: за что отвечает один участок, за что другой, и т. д. Однако чем больше нейробиологи узнавали о мозге, тем ясней становилось, что кору полушарий нужно картировать заново, используя несколько признаков одновременно.

За эту работу взялись Мэтью Глассер (Matthew F. Glasser ) и его коллеги из Вашингтонского университета в Сент-Луисе , Оксфорда, Университета Миннесоты и Университета Неймегена. Они взяли массив данных магнитно-резонансной томографии (МРТ), накопленных в рамках проекта Коннектом Человека (напомним, что цель проекта Коннектом Человека в том, чтобы полностью описать структуру связей в нашем мозге).

Исследователей интересовали результаты структурной МРТ, которая позволяет установить, например, толщину тех или иных участков коры и другие подобные особенности, и функциональной МРТ, с помощью которой можно увидеть функцию той или иной зоны мозга. При этом мозг во время сканирования может отдыхать, и тогда мы различим его базовую функциональную топографию, или же выполнять какое-то задание - и тогда мы увидим, какие участки работают над конкретной процедурой. Для построения новой карты коры использовали данные фМРТ, полученные при выполнении семи заданий, от аудиотестов до математических задач.

Таким образом, алгоритм, который искал в коре функциональные поля, должен был оперировать сразу несколькими параметрами, структурными и функциональными. В итоге удалось обнаружить целых 180 полей в каждом полушарии, 83 из которых ранее уже были описаны в литературе, а вот 97 оказались доселе неизвестными.

Алгоритм работал с результатами МРТ-сканирования 210 добровольцев проекта Коннектом Человека, и сразу же возникал вопрос, удастся ли определить те же зоны у других людей? Не получится ли так, что карта из 180 полей имеет смысл только для тех двух сотен человек, на которых обучали вышеупомянутый алгоритм?

Но когда попытались проанализировать набор МРТ-данных от «посторонних» людей, то у них зоны коры определялись почти так же. Более того, авторы работы также смогли определить индивидуальные отличия между теми или иными участками. (На всякий случай уточним, что индивидуальные отличия не означают, что мозг у одного устроен так, а у другого - иначе, просто зоны могут работать с разной эффективностью и быть в раной степени развитыми; аналогичным образом, если мы видим рядом высокого человека и малорослого, мы не говорим, что у них разный план строения.)

Очевидно, что новая карта (описанная в статье в Nature ) пригодится как в фундаментальной науке, так и в медицине. Правда, и у неё тоже есть свои минусы, связанные, в первую очередь, с тем, что у МРТ всё-таки недостаточно высокое пространственное разрешение, то есть кора мозга может на самом деле делиться на ещё большее число полей.

С другой стороны, предстоит ещё выяснить, как устроены новые 180 зон на уровне клеток, синапсов и их молекулярных характеристик. Ну и, наконец, не будем забывать про недавнюю работу, - будем надеяться, что новая карта коры от этого разоблачения не слишком пострадает.

Даже самые простые сети нейронов в головном мозге состоят из миллионов соединений, и изучение этих огромных сетей имеет решающее значение для понимания того, как работает мозг. Ученые уже давно пытаются изучить микроскопические процессы, стоящие за теми или иными реакциями мозга на внешние возбудители.

В последнем выпуске журнала Nature была опубликована статья, авторы которой сделали важный шаг к пониманию работы нейронных сетей. Международная группа ученых провела наиболее полное на сегодняшний день исследование сети нейронов коры головного мозга, в которой происходит активная обработка внешних сигналов-возбудителей. В результате было обнаружено несколько важных особенностей того, как организованы нейронные сети. По сути,

ученые создали первую в мире карту нейронов мозга, на которой совмещена информация об электрической мозговой активности и схема физического соединения нейронов между собой.

До сих пор на протяжении десятилетий ученые исследовали эти области по отдельности, будучи не в состоянии связать их между собой.

Так, совсем недавно было опубликовано , авторы которого при помощи метода магнитно-резонансной томографии построили карту нейронных связей в головном мозге человека и выяснили, как образ жизни влияет на количество этих связей. Тем не менее в этой работе была отражена лишь физическая сущность нейронных связей.

В текущей работе ученые исследовали зрительную кору мозга мыши. Сначала они определили, какие нейроны откликаются на определенные зрительные стимулы, например на вертикальные или горизонтальные полосы на экране. Затем были получены детальные изображения срезов головного мозга с миллионами интересующих нейронов и синапсов — контактов между нейронами — или получающими нейронный сигнал клетками другого типа. В дальнейшем по этим плоским изображениям была построена трехмерная карта нейронных сетей мозга.

По словам ученых, уникальность их исследования состоит в том, что в своей работе они совместили методы оптической томографии и электронной микроскопии. До сегодняшнего дня макроскопические методы изучения мозговой активности и микроскопические методы изучения нейронов и их синапсов, которые имеют размеры порядка нанометров, были не связаны между собой. Между тем очень важно понять, какие именно микроскопические механизмы стоят за процессами активности мозга.

«Мы получили микроскопические данные беспрецедентного масштаба и детализации, — говорит один из авторов работы, Р. Клэй Рид из Института наук о мозге Аллена (США).

— Сначала мы определяли, какую функцию выполняет конкретный нейрон, а затем смотрели, как он соединяется с похожими нейронами и с нейронами другого типа».

«Это исследование стало кульминацией исследовательской программы, которая началась почти десять лет назад, — добавляет Клэй Рид. — Мозговые сети слишком велики и сложны для понимания по частям, поэтому мы использовали методы высокой пропускной способности для сбора огромных массивов данных мозговой активности и взаимосвязей нейронов».

Анализируя полученные данные, ученые пришли к следующим выводам. Во-первых, они подтвердили гипотезу о том, что нейроны, отвечающие за один вид активности, чаще связаны друг с другом, чем нейроны, выполняющие разные функции. Во-вторых, соединения между такими нейронами прочнее, несмотря на то что они перепутаны со многими другими нейронами, которые выполняют совершенно разные функции.

«Мы обнаружили первые свидетельства наличия модульной архитектуры сети нейронов коры головного мозга и определили структурную основу функциональной связи между нейронами,

Несмотря на то что это исследование является знаковым моментом нашей работы, это только начало. Теперь у нас есть инструменты для того, чтобы создать более точную компьютерную модель мозга, зная связи между схемами соединений нейронов и сетевых вычислений». «Это как симфонический оркестр, музыканты которого сидят в случайном порядке, — добавляет Клэй Рид. — Если вы будете слышать только тех музыкантов, которые сидят рядом с вами, в этом не будет никакого смысла. А вот если вы услышите всех, вы поймете музыку — она даже станет проще».

Авторы работы уверены, что их достижение окажет огромную помощь всем ученым, которые занимаются исследованиями мозга и созданием искусственных нейронных сетей, — отдел науки «Газеты.Ru» уже о том, как суперкомпьютер позволил ученым смоделировать работу тысяч нейронов. Однако для того, чтобы успешно симулировать работу мозга, необходимо лучше понять, как работают нейронные сети в реальных живых организмах.

Чтобы создать карту, исследователи вводили флуоресцентный вирус зеленого цвета в определенную зону мозга живой мыши. Вирус заражал нейроны вблизи места инъекции, и через три недели распространялся по всему мозгу. Ниже карта взаимосвязей, происходящих в одной из областей мозга, отображенная в виде зеленой флуоресцентной сетки зараженных нейронов. Среди прочих функций, данная область мозга отвечает за интерпретацию определенных ощущений, в первую очередь чувство осязания.

После того как вирус распространился, ученые изъяли мозг из мыши и сделали его снимки различными способами, в конечном итоге получив около 1 терабайта данных. Следуя по пути вируса и анализа созданных изображений до невероятно мелких масштабов, исследователи получили картину того, как зараженный участок взаимодействует со всем головным мозгом. Например, вот 3D визуализация взаимосвязей между четырьмя областями, отвечающими за зрение, в коре головного мозга мыши (зеленый, желтый, красный, оранжевый). В пресс-релизе исследования сообщается, что эти районы тесно взаимосвязаны друг с другом и с соседними областями мозга в таламусе (розовый) и среднем мозге (фиолетовый).

Как только ученые добились изображения карты нейронных связей в одной области мозга, они повторили этот процесс со всеми остальными участками. Всего исследователи проанализировали снимки около 1700 мышей, но исследование основано лишь на 469 из них. Ниже визуализация полученных данных, которая включает взаимосвязи нескольких областей мозга:

Полученные данные также могут быть представлены в виде круглой диаграммы. Эта диаграмма отображает связи между 215 областями мозга мыши. Взаимосвязи исходящие из 11 конкретных областей мозга выделены разными цветами, остальные отображены серым цветом.

Вращающийся глобус и «лоскутное одеяло» изображённых на нём стран - такая карта помогает нам понять, где именно мы находимся, а также то, что государства и народы отличаются друг от друга и имеют весьма конкретные границы. Теперь подобная карта появилась и у внешнего слоя мозга - его коры, на которой каждое полушарие оказалось разделённым на 180 отдельных «стран» . Причём, девяносто семь областей из них никогда не описывались ранее, несмотря на явные различия в структуре, функции и значительную связь с соседями. Новая карта мозга опубликована в Nature .

Иллюстрация: M. F. Glasser, D. C. Van Essen

«Каждая отдельная область на карте содержит клетки со сходными структурой, функциями и взаимосвязями. Но эти «регионы» отличаются друг от друга подобно разным странам и имеют чётко определённые границы, а также уникальную культуру»,

Отмечает Дэвид Ван Эссен (David Van Essen), невролог Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, который курировал исследование.

Нейрофизиологи давно стремились разделить мозг на мелкие части, чтобы лучше понять, как он работает в целом. Одна из самых известных карт мозга разделила кору на 52 области, основанные на различном расположении клеток в ткани (теперь эти зоны известны как поля Бродмана). Более современные карты основывались на данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) - например, функциональной МРТ, которая измеряет приток крови в ответ на различные умственные задачи.

Однако, до сих пор большинство таких «картографических» исследований проводились с помощью лишь одного типа измерений, что, как отмечает Томас Йео (Thomas Yeo), нейробиолог из Национального университета Сингапура, не только не даёт полное представление о работе всего мозга, но и может ввести исследователей в заблуждение. Новая карта основана на многократных МРТ измерениях, которые максимально конкретизируют внимание на корковых областях и поэтому помогают наиболее хорошо их оценить.

Разделяй и властвуй

Чтобы построить карту, группа учёных под руководством нейробиолога Мэтью Глассера (Mathew Glasser) из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе использовала изображения, полученные у 210 здоровых молодых людей, которые участвовали в проекте «Коннектом человека» по картированию структур мозга и их функциональных связей. В исследование включили информацию о толщине коры, функциях мозга, аксональных связях между регионами, о топографической организации клеток в ткани и содержании миелина - вещества, которое отвечает за электроизоляцию аксонов.

Глассер зонировал кору головного мозга по принципу значительных изменений в двух или более свойствах, которые использовал, чтобы «расставить» границы на карте. Обработка данных велась с использованием алгоритмов машинного обучения.

«Если медленно «ползать» по поверхности коры, то в какой-то момент вы найдёте такое место, где свойства начнут меняться, или даже такое, где обнаружатся несколько независимых изменений на одном и том же месте»,

Отметил исследователь.

Методика подтвердила наличие 83 известных ранее участков мозга и выявила ещё 97 новых. Учёные проверили карту, наблюдая за работой этих регионов у 210 человек. Они обнаружили то, что карта достаточно точная, но размер её зон несколько варьирует от человека к человеку. Эти различия помогут понять по-новому индивидуальную изменчивость когнитивных способностей, а также выявить риски развития заболеваний.

Грани достижимого

«Несмотря на то, что в центре внимания этой работы лежало создание красивого и усреднённого шаблона мозга, он действительно открывает возможность для дальнейшего изучения уникальных сочетаний индивидуальных особенностей с интеллектуальными и творческими способностями, то есть того, что делает каждого из нас уникальным»,

Говорит Рекс Юнг (Rex Jung), нейропсихолог из Университета Нью-Мексико в Альбукерке.

Но при всех очевидных плюсах минусы также есть: карта ограничена в нескольких важных аспектах. Самое важное, она очень немногое рассказывает о биохимических основах работы мозга или об активности отдельных нейронов, их небольших групп.

«Это похоже на фантастическую карту Google «Планета Земля», которая может даже продемонстрировать ваше район города или даже задний двор вашего дома. Тем не менее, вы не можете рассмотреть, как передвигаются ваши соседи, куда они собираются переместиться и какая у них работа»,

Говорит Юнг.

Глассер же предполагает, что этот проект станет версией 1.0.

«Это не означает, что этот вариант окончательный, но то, что мы получили сейчас, гораздо лучше, чем то, что мы имели прежде»,

Резонно замечает учёный.

A multi-modal parcellation of human cerebral cortex

Matthew F. Glasser, Timothy S. Coalson, Emma C. Robinson, David C. Van Essen et all.

Nature (2016) doi:10.1038/nature18933