Схему поведінки метелики ми вигадали самі: як вона управляє своїми крилами насправді - невідомо. А чи є випадки, коли вдалося розібратися в зв'язках реально існуючих нейронних схем і зрозуміти, як вони працюють? Треба сказати чесно, що в разі хребетних тварин такі успіхи досить скромні: занадто багато у них нейронів. Але в разі безхребетних, у яких в гангліях часто всього кілька сотень нейронів, успіхи більш вражаючі.
Ми розповімо вам для прикладу, як влаштована нейронна мережа, що забезпечує плавання п'явки.
Коли п'явка пливе, в кожному сегменті її тіла по черзі скорочуються то спинні, то черевні поздовжні м'язи, так що сегмент вигинається то вгору, то вниз. Скорочення в кожному сегменті виникає трохи пізніше, ніж у попередньому сегменті. В результаті по тілу п'явки біжить хвиля, тіло періодично згинається і п'явка пливе. Як же влаштовано, що м'язи спини і черевця скорочуються по черзі?
Розглянемо лише один сегмент. У кожному сегменті п'явки є свій ганглій, а в ньому - близько 200 нейронів. Частина з них - МН, керуючі поздовжніми м'язами. - подібно до багатьох інших безхребетних - є і збуджуючі, і гальмівні МН, причому гальмівні МН гальмують не тільки м'яз, а й збуджують МН.
У ганглії знаходиться так званий генератор плавання, утворений чотирма нейронами. При плаванні на всі ці нейрони приходить збудливий сигнал.
Як же працює ця система?
Схема на рис. 53, б абсолютно симетрична, але реально при підготовці до плавання якісь нейрони починають порушуватися трохи раніше за інших. Нехай, наприклад, першим збудився нейрон 1, він зараз же загальмує нейрони 3 і 4, і вони будуть «мовчати». Нейрон 2 ніким не припиняється й возбудится під дією загального сигналу слідом за нейроном 1. Коли це станеться, загальмуються нейрони 1 і 4. Тепер нейрон 3 ніким не припиняється й через деякий час він почне працювати, загальмувавши нейрони 1 і 2. Таким чином, нейрони 1 --4 будуть по черзі збуджуватися. Коли буде порушуватися нейрон 71, він буде гальмувати гальмівні МН спинних м'язів, тоді збудливий МН змусить ці м'язи скоротитися, і даний сегмент зігнеться опуклістю вниз. Коли буде порушуватися нейрон 3, сегмент буде згинатися в протилежну сторону.
Вперше таке «гальмівне кільце» придумав радянський вчений В.Л. Дунін-Барковський. А років через десять таке кільце відкрили у п'явки співробітники Г. Стент - знаменитого генетика, який останні роки захопився нейронними мережами безхребетних.
Ми могли б розповісти вам ще чимало про таких відносно простих схемах з нейронів, що пояснюють, як відсмикує від дотику і відповзає в нірку дощовий черв'як, як плаває морський ангел, розмахуючи своїми крилами, як жує їжу равлик і т. Д.
Однак перейдемо до хребетних. Справа в тому, що, як уже згадувалося, в нервовій системі хребетних, як правило, виконанням будь-якої функції займаються не одиниці або десятки, а тисячі і десятки тисяч клітин. У наших схемах фігурували поодинокі нейрони і поодинокі рецептори - кожен зображував кілька подібних клітин, наявних у безхребетних. А у хребетних тварин навіть система, що управляє окремої м'язом, більш складна: так, кожної великої м'язом кішки або людини управляє своя група мотонейронів - так званий мотонейронами пул. У МН-пул входять тисячі нервових клітин, численні розгалуження аксонів яких закінчуються на м'язових волокнах. Через мотонейронами пул і відбувається управління роботою м'язи, яка сама по собі теж є досить складним механізмом. Наприклад, вивчаючи роботу литкового м'яза кішки, вчені виявили, що, коли кішка стоїть, порушуються тільки такі м'язові волокна, які забезпечують відносно слабку напругу м'язи, але зате можуть працювати тривалий час, не втомлюючись; коли кішка біжить риссю, додаються й інші, більш «сильні» волокна; коли ж кішка пускається в галоп, рятуючись втечею, або стрибає за здобиччю, підключаються особливі м'язові волокна, які можуть працювати відносно недовго, але зате розвивають велике зусилля.
Як же нервова система забезпечує управління таким складним господарством? Виявляється, для цього зовсім не потрібно «командувати» кожним м'язовим волокном окремо: досить міняти тільки силу сигналу, що приходить на пул, а потрібний порядок включення м'язових волокон забезпечується «геометрією» мотонейронів пулу - їх розмірами та «топографією», т. Е . розташуванням аксонів в м'язі.
Виявляється, МН-пули відрізняються розмірами, причому, чим більше нейрон, тим більше у нього аксони закінчень і тим більше число м'язових волокон він збуджує. Самі ж великі МН мають закінчення саме на тих м'язових волокнах, які потрібні для «авральною» роботи - короткочасної, але з розвитком великих зусиль.
Керуючі команди від верхніх відділів мозку приходять по волокнах, які рівномірно розподілені по всьому МН-пулу. Якщо порушено невелике число отих верховодів волокон, збудяться тільки найдрібніші МН, і м'яз буде розвивати невелике зусилля. Чим більше число керуючих волокон буде порушено, тим більше число синапсів на МН буде активовано і тим більші МН включаться в роботу. Таким чином, керуючи тільки одним параметром - числом збуджених низхідних волокон, мозок включає в роботу ті м'язові волокна, які потрібні для виконання необхідного руху.
Вперше гіпотезу про те, що для управління МН-пулом м'язи природа використовує саме геометричні відмінності розмірів тіл нервових клітин, висловив в 1965 р американський вчений Хеннеман. Надалі ця гіпотеза була підтверджена різноманітними експериментами і отримала назву «принцип величини».
У цього способу управління МН-пулом є один недолік: сигнал, необхідний для включення в роботу великих МН, занадто великий для маленьких МН - він змусив би їх працювати з дуже великою частотою, що може привести до загибелі цих клітин.
Щоб цього не відбувалося, в МН-пулі є спеціальний захисний пристрій - так звані клітини Реншоу. До цих клітин йдуть спеціальні відростки аксоновМН, причому в основному від великих МН. Клітини Реншоу - гальмівні нейрони, їх аксони закінчуються на МН, причому переважно на маленьких. Коли сигнал, що приходить на пул зверху, великий, до маленьких МН приходить, з одного боку, цей занадто великий для них сигнал, а з іншого боку - гальмівний сигнал від клітин Реншоу; ці сигнали, які мають різні знаки, складаються, і маленькі МН працюють в нормальному для них режимі,