Почему левое полушарие управляет правой рукой: ответ нашли в глазах древних рыб

Один из самых устойчивых вопросов нейроанатомии звучит просто: почему левое полушарие мозга управляет правой стороной тела, а правое — левой? Студенты-медики заучивают сложные перекрёсты нервных путей в стволе мозга и спинном мозге. Но почему эволюция пришла к такой перекрёстной схеме, спорили веками.

Теперь нейробиологи Дэниел Ванг и Мартин Вессендорф из Миннесотского университета предложили объяснение. Они считают, что перекрёстная организация — не набор независимых адаптаций для управления конечностями или осязания. Это древняя эволюционная зависимость, запущенная простой оптикой примитивных глаз и древними цепями среднего мозга, построенными для обработки зрительных сигналов.

История начинается со зрения. Сферическая линза глаза физически переворачивает изображение на сетчатке. Свет, идущий из правой половины поля зрения, попадает на левую сторону каждой сетчатки, и наоборот. Чтобы эффективно обрабатывать эти перевёрнутые данные, ранние позвоночные развили зрительный перекрёст — место, где аксоны ганглиозных клеток сетчатки пересекают среднюю линию. Так зрительные сигналы из правой половины мира направляются целиком в левое полушарие.

Эти сигналы завершаются в основном в зрительном тектуме, или верхнем холмике у млекопитающих. Это древняя структура среднего мозга, присутствующая у всех живущих позвоночных. Тектум строит внутреннюю пространственную карту противоположной стороны среды, чтобы координировать быстрые защитные и охотничьи реакции. Важно, что в глубоких слоях тектум также получает тактильную и слуховую информацию, выровненную в точном пространственном соответствии с лежащими выше зрительными координатами.

Поскольку все выжившие позвоночные имеют зрительный перекрёст и контралатерально организованный тектум, авторы заключают: эта архитектура уже прочно установилась у бесчелюстных рыб кембрийского периода, примерно 538–486 миллионов лет назад.

Когда древние водные существа перешли в четвероногих наземных животных — амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, — потребовались новые соматосенсорные и двигательные пути для управления конечностями и передвижения по суше. Авторы рассмотрели два основных восходящих соматосенсорных пути. Первый — путь дорсальных столбов, отвечающий за дискриминационное осязание, вибрацию и проприоцепцию. Он поднимается по спинному мозгу и пересекает среднюю линию в продолговатом мозге. У лучепёрых рыб его нет, но у всех четвероногих он сохраняется. Второй — спинно-таламический путь, передающий боль, температуру и грубое осязание. Он пересекает среднюю линию сразу в спинном мозге, прежде чем подняться к таламусу. Эта контралатеральная архитектура чрезвычайно древняя: она наблюдается у птиц, рептилий, млекопитающих и даже у хрящевых рыб вроде акул и скатов.

Нисходящие двигательные пути, управляющие скелетными мышцами, следуют той же перекрёстной схеме. Тектоспинальный путь берёт начало в глубоких слоях зрительного тектума и пересекает среднюю линию, направляясь к противоположной стороне спинного мозга. Он управляет рефлекторными поворотами головы и тела к неожиданным зрительным, слуховым или тактильным стимулам на периферии — например, когда человек инстинктивно отшатывается от приближающейся машины, замеченной боковым зрением. Красноспинный путь возникает в красном ядре среднего мозга, перекрещивается и идёт вниз по противоположной стороне спинного мозга, облегчая координированные крупные движения конечностей у четвероногих. Кортикоспинальный путь — изобретение млекопитающих, берущее начало в шестислойной новой коре и пересекающееся в пирамидном перекрёсте. Авторы отмечают: у большинства млекопитающих этот путь заканчивается в дорсальных сенсорных рогах, модулируя входящие тактильные сигналы. Но приматы и другие ловкие животные приспособили эти существующие контралатеральные волокна для прямых синапсов на спинальных мотонейронах, что дало людям тонкий независимый контроль пальцев.

Ванг и Вессендорф утверждают: эволюция действовала как консервативный инженер, строящий из уже существующих модульных материалов. Поскольку зрительный тектум уже связал контралатеральную зрительную карту с глубокими соматическими ощущениями для координации рефлексов выживания сотни миллионов лет назад, любой новый сенсорный или двигательный путь, возникший позже, должен был выровняться с этой установленной системой координат, чтобы избежать сенсомоторного рассогласования. «Поскольку эволюция консервативна в своих инновациях — она часто сохраняет и надстраивает существующие структуры, пути и механизмы, а не изобретает новые, — организация зрительной системы, и в частности зрительного тектума, могла определить организационные принципы, требуемые от сенсорных и двигательных путей, возникших позже», — объясняют авторы.

В этом подходе перекрёстная проводка — эволюционный побочный продукт: архитектурное следствие, привязанное к оптике позвоночного глаза. Авторы отмечают: будущий анализ внутренних нейрокраниальных окаменелостей ранних кембрийских позвоночных мог бы дать физические вехи, отслеживающие, как этот зрительный план заложил основу человеческой центральной нервной системы.

Вопрос, который остаётся: если перекрёстная проводка — всего лишь следствие того, как линза переворачивает изображение, то не окажется ли, что многие «фундаментальные» особенности нашего мозга — не оптимальные решения, а случайные следы древних физических ограничений, которые мы до сих пор носим в своей голове?