В таких местных нейронных цепях специального назначения, по-видимому, реализуются принципы того же рода, какие используются при конструировании вычислительных машин. Использование в спинномозговых рефлекторных механизмах переключающей схемы для управления двигательным механизмом в соответствии с сенсорными импульсами кажется очень сходным с простыми методами регулирования, применяемыми физиками. Даже соединение группы нейронов для выработки ритмической последовательности импульсов, регулирующих сокращение сердца у омара или движения крыльев у саранчи, создает утешительную для нас (хотя, возможно, обманчивую) видимость простоты; любой специалист по электронике знает, как построить цепь, способную генерировать ритмический ряд импульсов, — нужно соединить выход триггера со входом цепи, содержащей линию задержке, подобную цепи медленно перезаряжающихся тел нейронов.
Однако не все автоматические регуляторные функции нервной системы так просты. По мере повышения уровня их сложности нам все меньше приходится иметь дело с периферическими механизмами и все больше — с механизмами самого головного мозга.
Простые регуляторные цепи с обратной связью в головном мозгу
Известно, что при ярком свете зрачки суживаются, чтобы предотвратить повреждение чувствительных нервных окончаний сетчатки. Когда становится темнее, зрачки наших глаз расширяются, чтобы увеличить силу раздражителя, действующего на палочки и колбочки. Это одна из многих простых регуляторных функций, осуществляемых головным мозгом. Стандартная импульсация, порождаемая нейронами сетчатки, прежде всего подвергается усреднению или интегрированию, преобразуясь в электрический сигнал, отражающий среднюю интенсивность света для всего поля зрения. Соответствующие нервные волокна передают этот сенсорный входной сигнал в определенный пункт передней части ствола мозга, где устанавливается связь с эфферентными волокнами, передающими надлежащие инструкции мускулатуре радужной оболочки, которая в свою очередь регулирует степень расширения или сужения зрачка.
Эта дуга зрачкового рефлекса — один из многих примеров регуляторных механизмов с обратной связью, имеющих центр в головном мозгу. Такие механизмы с обратной связью хорошо известны специалисту по автоматике. Они характеризуются тем, что информация о некоторой физической величине используется для управления двигательным механизмом, который регулирует эту величину, приводя ее к заранее установленному желательному значению. Если электрический сигнал, образованный путем суммации реакций палочек и колбочек, превышает стандартную величину, соответствующую тому уровню освещенности, при котором сетчатка функционирует наилучшим образом, то он стимулирует сокращение кольцевой мускулатуры зрачка. Размеры зрачка постепенно уменьшаются, и в конце концов наступает момент, когда величина сигнала, образуемого в результате интеграции импульсов от палочек и колбочек, становится равной тому стандартному значению, которое «заложено» в этот регуляторный механизм мозга; достигается равновесие, и тенденция к сужению зрачков исчезает.
Способ, которым организм защищает себя от перегревания, служит еще одним интересным примером регуляции, осуществляемой головным мозгом на основе обратной связи. Удаление избыточного тепла, накапливающегося в организме при высокой температуре окружающей среды или при интенсивной физической работе, осуществляется посредством двух главных механизмов. Один из них состоит в охлаждении тела за счет испарения пота, другой — в повышении теплоотдачи благодаря усилению кровотока в результате расширения сосудов кожи. Регулирующий центр этих механизмов охлаждения находится в гипоталамусе— образовании, расположенном в передней: части ствола мозга, очень близко к его переднему концу (рис. 14). Цепь системы терморегуляции несколько необычна: ее чувствительный орган находится внутри самой регулирующей системы, а не является периферическим рецептором, соединенным с системой обычным проводником. Для такого устройства есть серьезные основания. Функция системы терморегуляции состоит в поддержании постоянства температуры жизненно важных внутренних органов, а не поверхностных тканей, например кожи. Но сам гипоталамус, расположенный в передней части мозговою ствола и полностью окруженный корой и другими крупными отделами головного мозга, находится в таком защищенном и жизненно важном участке, какой только можно найти для измерения самого существенного температурного показателя организма — температуры самого мозга Таким образом, в данном случае природа выбрала для контрольного чувствительного устройства место в той части головного мозга, где осуществляются также и вычислительно-управляющие функции. Термочувствительные нейроны создают электрический потенциал, изменяющийся