Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека

Существует расхожее представление о том, что мозг – это самый сложный объект во Вселенной. С точки зрения науки, такое утверждение кажется довольно сомнительным. Действительно, можно ли претендовать на знание всех объектов во Вселенной? И даже если это так, то как сравнивать их сложность? Тем не менее это клише отражает огромный интерес к тайнам крайне своеобразного органа, напрямую связанного с нашей психической жизнью. Биологическое значение мозга сразу же становится очевидным при подсчете энергетических затрат: этот орган, вес которого составляет приблизительно 1,4 килограмма, то есть всего лишь 2 % от общей массы тела, потребляет 20 % всей его энергии. Даже в состоянии покоя – при полном отсутствии интеллектуальной деятельности! Можно ломать себе голову в попытках доказать сложную теорию или предоставить мыслям свободу, но количество энергии, востребованной мозгом, существенно не изменится.

Еще более энергозатратным по сравнению с мозгом взрослого человека является мозг новорожденного: он потребляет почти две трети всей энергии тела. Где же мозг находит такое количество энергии? Печень и мышцы накапливают ее в форме углеводов (имеется в виду гликоген) и в виде жировой ткани, содержащей запас жирных кислот, но мозг выбирает другое решение. Свободное пространство в черепно-мозговой коробке настолько ценное, что для таких запасов там просто нет места. Вот поэтому функцию постоянного снабжения мозга энергией берет на себя все остальное тело. Можно ли считать мозг «эгоистом»? Парадокс заключается в том, что, как мы скоро увидим, мозг сам наделяет нас способностью изучать окружающую среду в поисках источников энергии.

Инструмент взаимодействия с окружающей средой

Как понять эту напоминающую своей консистенцией желе массу, так далеко спрятавшуюся и защищенную черепной коробкой? У нас есть возможность начать все с самого начала и заняться изучением происхождения мозга в эволюции видов (речь идет о филогенезе), а также его созревания от стадии эмбриона до взрослого человека (речь идет об онтогенезе).

Первые организмы, жившие на Земле несколько миллиардов лет тому назад, были очень простыми и, разумеется, мозга у них не было, но они уже реагировали на изменения окружавшей их среды. По всей видимости, принимать решения способны даже простейшие одноклеточные организмы без мозга как, например, живущая в желудочно-кишечном тракте бактерия Escherichia coli. Она «выбирает», стоит ли ей приближаться к питательным веществам или избегать вредных для нее токсинов. Этот феномен называется хемотаксис. За счет преобразования сенсорного сигнала (через рецепторы мембраны) бактерия Escherichia coli реагирует на изменение в ее окружении (в этом случае речь идет о концентрации вещества в среде) приближением или избеганием. Такие реакции основаны на том, что градиентам концентрации несвойственно резко менять направление. Поэтому кишечная палочка может двигаться в направлении, в котором градиент будет постепенно увеличиваться или уменьшаться. А когда концентрация токсичного вещества будет возрастать? Она перемещается с помощью вращения маленьких ресничек (так называемых жгутиков) и таким образом удаляется от опасности. Все происходит так, как если бы бактерия могла предвидеть (разумеется, самым простым способом) будущее изменение своей среды и действовать наилучшим образом.

В ходе эволюции появились все более разнообразные и сложные решения, связанные с необходимостью реагировать на собранную информацию об окружающей среде. У многоклеточных организмов на распознавании внешних событий и реализации двигательной реакции стали специализироваться отдельные клетки. Осуществляя начальную когнитивную обработку, эти клетки сформировали первичную нервную систему, которая была рассеяна по всему организму, как у современных медуз.

Энергетические, химические и цифровые способы передачи информации, механизмы приспособления

Между тем, с эволюционной точки зрения, на фоне усложнения нервной системы, такой подход показал свои недостатки: по мере развития организма нервные клетки все больше удаляются друг от друга. Как обеспечить их взаимодействие в условиях дистанцирования? Приблизительно 500 миллионов лет назад произошло впечатляющее «обновление», благодаря которому стал возможен быстрый и точный обмен информацией между удаленными клетками – посредством электрической связи, которая называется потенциалом действия (мы вернемся к этому явлению в другой главе). У потенциала действия есть «цифровой» формат: он присутствует или отсутствует, что соответствует двоичной системе счисления. Таким образом, передаваемая информация меньше подвержена затуханию из-за внешних помех, когда сигнал проходит большие расстояния в организме. Более того, он очень быстро перемещается по нервной системе, со скоростью до 100 м/с. Эти два важных качества для организмов, находящихся в пространстве на расстоянии друг от друга.

Появление потенциала действия создало благоприятные возможности для передачи информации в многоклеточном организме. Этот процесс послужил основой для кембрийского взрыва – периода, сопровождавшегося возникновением многочисленных форм жизни. Среди них находились предшественники почти всех основных групп животных, живущих на Земле в настоящее время: рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие и другие.

Объемный орган

Первые позвоночные поедали другие организмы: растительные или животные. Эти морские хищники обладали примитивным мозгом и вначале идентифицировали свою добычу главным образом с помощью обоняния. Затем они распространились на суше. Примерно 80 миллионов лет назад на Земле появились гораздо более опасные хищники – приматы, к числу которых относимся и мы. Приматы обнаруживали добычу издалека благодаря зрению. Расположенные у приматов спереди глаза связаны с более объемным и более сложно устроенным мозгом по сравнению с мозгом их биологических предков. Этот крупный мозг требует значительных затрат: помимо существенного расхода энергии, он нуждается в интенсивном развитии, продолжительность которого выходит за пределы периода внутриутробной жизни. Вот почему возникает потребность в родителях, которые должны присматривать за новорожденным и кормить его в течение длительного периода, так как он полностью зависит от них сразу же после рождения. Необходимость постнатального (после рождения) развития мозга обусловлена тем, что вмещающая полностью сформированный мозг черепная коробка была бы слишком объемной, чтобы пройти через узкий канал, предназначенный природой для рождения. Мозг также использует куда более богатый опыт, чем ограниченный опыт находившегося в матке эмбриона. Поэтому те преимущества, которые крупный мозг дает приматам, намного превосходят связанные с ним высокие затраты: несмотря на ряд корректировок, касающихся соотношения затрат и пользы, в ходе эволюции у гоминидов прослеживается тенденция к увеличению его объема (рисунок 1).

Дело в том, что после продолжавшегося в течение 2 миллионов лет роста мозг уменьшился и от объема 1 550 см³, который был у наших предков кроманьонцев, за последние 20 000 лет он сократился до нынешних 1 350 см³. Следует отметить, что самый крупный мозг, который был у живших по всей Евразии в период с 120 000 по 35 000 гг. до н. э. наших предков – неандертальцев (он доходил до 1 680 см³), не спас их от вымирания (рисунок 2). Для самых крупных мозгов Homo sapiens находится место в ограниченном пространстве черепной коробки благодаря одной уловке эволюции: вместо того, чтобы постепенно вытягиваться, как это происходит у других животных, они сохраняют до взрослого возраста округлую форму черепа новорожденного (в эволюционной биологии такое постоянство называется «педоморфизм»).

1. Эволюция объема мозга у гоминидов//S. Condemi и F. Savatier, Dernières nouvelles de Sapiens, 2-е дополненное издание, Flammarion, 2021

2. Сравнение среднего объема мозга человека неандертальского, наших предков – кроманьонцев и современного человека

Питание – ключевой фактор в развитии мозга

Внутриматочное развитие центральной нервной системы у человека проходит через несколько основных этапов. Как и у всех позвоночных, эмбрион развивается из трех зародышевых листков (от внутреннего к наружному: эндодерма, мезодерма, эктодерма). Центральная нервная система образуется из эктодермы, которая на третьей неделе после зачатия утолщается и складывается в нервную пластинку, а та, в свою очередь, сворачиваясь, формирует нервную трубку (рисунок 3). Затем эта трубка сегментируется, и ее передняя часть образует три мозговых пузыря, которые дифференцируются для формирования структур мозга (рисунок 4). В конце этого сложного цикла мозг покрывают шесть слоев коры больших полушарий, которая есть только у млекопитающих.

3. Первая стадия развития примитивной нервной системы у эмбриона

4. Формирование мозга у человека из нервной трубки от пятой недели до рождения

У взрослого человека площадь этих слоев достигает 2,6 кв. м! Они вмещаются в черепную коробку только благодаря плотной укладке, чем и объясняются многочисленные извилистые складки головного мозга человека, именуемые мозговыми извилинами.

У большинства животных передний отдел центральной нервной системы (головной мозг позвоночных) расположен очень близко от входа в пищеварительную систему (у позвоночных животных это рот). Эта анатомическая близость подчеркивает изначальную важность мозга для выбора пищи. Итак, между мозгом и питанием существует тесная связь.

Эта связь подтверждается тем фактом, что у млекопитающих, которые едят фрукты, например, у макак-резусов, мозг обычно крупнее, чем у их близких родственников, питающихся только листьями, например, у принадлежащих к роду широконосых обезьян ревунов. В лесах фрукты встречаются реже, чем листья, поэтому плодоядным приходится проявлять больше усилий для обнаружения и распознавания еды, а также планировать сбор урожая по времени (так, например, цвет фруктов указывает на то, что они спелые по мере прошествия дней). С другой стороны, сахара спелых фруктов перевариваются легче, чем целлюлоза листьев. Вот поэтому пищеварительная система у плодоядных, как правило, меньше развита по сравнению с другими животными. Простая и небольшая пищеварительная система потребляет меньше энергии, в результате чего мозг извлекает пользу из неизрасходованной энергии. Что является наглядной иллюстрацией того, как когнитивные компетенции (здесь речь идет о внимательности и зрительном поиске с целью обнаружения фруктов, а также о мыслительной обработке формы и цветов для выбора лучших плодов) могут выгодно заменить менее «интеллектуальные» функции типа переваривания сложных углеводов.

Как считает американский нейробиолог Джон Оллман, увеличению объема нашего мозга (он увеличился приблизительно на 24 % в период между 100 000 и 50 000 гг. до нашей эры) способствовал такой фактор, как использование огня. Считается, что гоминиды могли использовать огонь 1,8 миллионов лет назад. Действительно, тепло разбивает на фрагменты белки термически обработанной пищи, и наши предки воспользовались таким образом питательными веществами, которые легче усваиваются организмом. Более того, термическая обработка создает благоприятные условия для здорового питания, разрушая растительные токсины и убивая патогенные микроорганизмы. В результате она значительно увеличила имеющиеся у мозга ресурсы. Овладение огнем также помогло решить проблему сохранения температуры тела в холодное время: в некотором смысле крупный мозг человека вполне эффективно заменил густую шерсть, которой покрыто большинство других млекопитающих!

Другой типичный элемент нашего биологического вида состоит в значительном развитии навыков общения, послуживших основой для возникновения совокупности всех взаимосвязанных отношений, которые мы обычно называем «культурой» в широком смысле. В сравнении с другими млекопитающими мозг приматов вообще и человека в частности отличается непропорциональным развитием лобных долей – участков, расположенных в передней части мозга (рисунок 5). В эволюционной линии человека такое развитие сопровождалось растущим усложнением в организации социального взаимодействия. Эта новая способность дала индивидам огромное преимущество для самозащиты и эта новая способность дала людям огромное преимущество в защите и преодолении изменений окружающей среды через совместный труд, общение и передачу знаний с помощью речи.

5. Анатомия головного мозга. Он разделен на два полушария, в каждом из которых шесть различных долей

Орган, предсказывающий будущее

Особая важность мозга в реакции человека на изменения в окружающей среде может свидетельствовать о его принципиальной роли в репрезентации внешней реальности, чтобы мы принимали решения на ее основании. Речь идет о старом представлении, которое неоднократно повторялось в истории. В этом есть смысл, так как нам необходима возможность быстрой реакции, соответствующей непредвиденным событиям, начиная от неожиданного появления на дороге велосипеда в тот момент, когда переходим через улицу, до телефона, который внезапно начинает вибрировать в кармане.

Между тем, мозг, который ограничивался бы исключительно внешними стимулами, очень плохо координировал бы наше взаимодействие с событиями. Канадский нейробиолог Патрик Каванах приводит пример теннисиста, который должен ударить ракеткой по мячу, летящему со скоростью 40 м/с. Если бы спортсмен дожидался того момента, когда мяч окажется рядом с ним, чтобы поставить руку в соответствующее положение, то он никогда бы не успевал ударить ракеткой по мячу. За десятую долю секунды, которая нужна ему, чтобы определить положение мяча и отреагировать, мяч пролетел бы на четыре метра больше и был бы слишком далеко от ракетки. Если бы рука теннисиста двигалась с целью перехватить мяч, то это значило бы, что его мозг опережает траекторию. С каждым нашим движением мы регулярно опережаем их последствия. Простой реакции на внешние стимулы недостаточно: в этом случае мы были бы обречены на неудачу, так как всегда опаздывали бы реагировать на те или иные события.

6. Чтобы теннисист смог отразить мяч на высокой скорости, его мозг должен предвидеть траекторию его полета заранее

Для эффективного взаимодействия с окружающей средой мы должны обладать способностью предвидеть последствия как собственных движений, так и движений других людей. Это и есть главная причина появления мозга у человека! Нейробиолог Родольфо Льинас приводит яркий пример с небольшими морскими организмами – асцидиями. Благодаря своему мозгу молодая асцидия бродит по морю в поисках скалы, к которой могла бы прирасти на всю оставшуюся жизнь. Как только она прикрепляется к такой скале, мозг ей больше не нужен. В результате она… переварит его за ненадобностью! Так взрослая асцидия значительно экономит энергетические затраты по поддержанию мозга, которым она больше не пользуется.

Моделирование реальности

Представление о том, что основная роль мозга у позвоночных якобы заключается в том, чтобы предвидеть будущее, недавно получило широкое теоретическое обоснование. В соответствии с гипотезой предсказывающего кодирования мозг человека постоянно конструирует модели внешней реальности и ее будущего развития (симуляции). Таким образом, восприятие не только воспроизводит копию этой реальности (та самая репрезентация, о которой говорили ранее), но и постоянно сравнивает эти внутренние модели с внешней реальностью. Такое сравнение осуществляется через восприятие и активное изучение окружающей среды с конечной целью обновления моделей и выработки более надежных сценариев. Согласно этой теории, мы берем на вооружение данные модели и действуем в реальном мире, одновременно приобретая соответствующий опыт.

В историческом отношении корни этой теории могут восходить к немецкому физику Герману фон Гельмгольцу (1821–1894), который считал, что восприятие является ничем другим, как проверкой гипотез. По его мнению, мозг в той или иной мере действует как ученый, который выдвигает гипотезу (модель) и проверяет эмпирическим (посредством познания через органы чувств) путем ее состоятельность посредством контролируемого эксперимента. Так, например, когда я встречаю какого-нибудь человека, то делаю выводы о его намерениях по отношению ко мне, наблюдая за его лицом и мимикой. У него неприступное выражение лица и он нахмурил брови? По всей видимости, я ему малосимпатичен. Он широко улыбается? Скорее всего, он будет вести себя довольно доброжелательно по отношению ко мне… Взаимодействуя с человеком, я проведу эксперимент, результаты которого подтвердят или опровергнут эту гипотезу, или позволят мне скорректировать ее, чтобы затем проверить ее в новом варианте.

Так что хотя наш мозг и не является «самым сложным объектом во Вселенной», тем не менее он наделен мощной силой: благодаря только что описанным процессам, он минимизирует неприятные сюрпризы и возможные риски, возникающие в повседневной жизни.

В 1906 году итальянец Камилло Гольджи и испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине, разделив ее за работы по структуре нервной системы. Разумеется, оба ученых были на седьмом небе от счастья, но Гольджи вызвал всеобщее удивление во время своего выступления на церемонии вручения: вместо того чтобы признать вклад Кахаля, он подверг резкой критике теорию коллеги, чтобы защитить свою собственную теорию, которая между тем уже устарела. Какая же муха его укусила?

Давно известно, что все биологические ткани (печень, почки, легкие и так далее) состоят из клеток, имеющих ядро и окруженных мембраной. Между тем мозг продолжал сбивать с толку ученых: с помощью микроскопа можно было разглядеть не эти пресловутые клетки, а хаотичное и непонятное нагромождение волокон и ядер. После многих лет упорной работы Гольджи в одиночку разработал так называемую «черную реакцию» – метод окрашивания отдельных клеток с использованием нитрата серебра, позволяющий получить представление о структуре нервной ткани. В отличие от обычных красителей, проникающих во все клетки, нитрат серебра пропитывал только небольшую часть нервных клеток (от 1 % до 5 %) по причинам, которые до настоящего времени все еще остаются неразгаданными. Некоторые окрашенные клетки резко выделялись среди других, которые оставались невидимыми. В результате Гольджи удалось добиться отличного изображения нервных клеток (рисунок 7).

На этих изображениях представлены темные скопления со странными отростками. Гольджи не догадался о то, что это отдельные клетки; он думал, что их отростки сливаются в непрерывную сетку, образуя единое целое с несколькими ядрами, – так называемый синцитий. Вот эту ошибочную теорию он и защищал в Стокгольме на вручении Нобелевской премии. Что касается Кахаля, то он понял, что нервные клетки были отдельными образованиями: он пришел к этому выводу в 1880-е годы, изучая метод, открытый Гольджи, что и привело Нобелевский комитет к решению о присуждении премии обоим ученым. Вскоре после наблюдений Кахаля эти клетки получили название «нейроны».

7. Изображение, сделанное с помощью окрашивания Гольджи. На иллюстрации представлены клеточные тела, центральная часть нейрона, получающие информацию дендриты (разветвленные волокна вокруг ядра) и аксон (длинный вертикальный отросток), который передает эту информацию

Диалог клеток

Сегодня мы знаем о нейронах гораздо больше. Одним из фундаментальных их свойств является способность вступать в контакты между собой посредством отростков, дендритов и аксонов. Подобно ветвям дерева, дендриты нейрона разветвляются вокруг центральной части, которая называется клеточным телом, с целью установления контакта с другими нервными клетками и получения от них информации. Другой отросток, который называется аксоном, передает затем эту информацию другим нейронам. Речь идет об открытом Кахалем законе «динамической поляризации»: информационный поток проходит только в одном направлении от одного полюса нейрона (один из его дендритов или клеточное тело) к другому (аксону), откуда он передается другим нейронам (рисунок 8). Место контакта между двумя нейронами называется синапсом.

Длина аксонов доходит до нескольких сантиметров, что в масштабах клетки является огромными размерами. Этот показатель даже может достигать длины один метр в случае с аксонами, управляющими работой мышц, – они идут от головного мозга к спинному мозгу. Аксоны часто собираются в большие пучки и образуют таким образом настоящие «автотрассы», обеспечивающие быструю коммуникацию между удаленными участками мозга. Такое объединение аксонов в один пучок представляет собой уникальную особенность мозга и обусловливает его поразительную способность быстрой обработки информации.

8. Типичный синапс образуется между окончанием аксона и дендритом, клеточным телом или аксоном другого нейрона

Функционирование синапсов

На идущем сверху вниз срезе мозга человека видна типичная картина: сероватая кора с многочисленными извилинами, которая покрывает другие структуры, включая беловатый слой – так называемое «белое вещество» (рисунок 9). В то время как белое вещество состоит главным образом из пучков аксонов, кору мозга образуют клеточные тела и дендриты. У человека кора мозга объединяет приблизительно 16 миллиардов нейронов. Каждый нейрон устанавливает как минимум одну тысячу контактов с другими нейронами – поэтому число синапсов в мозге человека намного превышает общее число звезд в галактике Млечный Путь.

Как эти синапсы передают информацию? Давайте изучим обмен, который происходит между аксоном первого нейрона и дендритом второго нейрона. Окончание аксона и дендрит образуют между собой крошечное пространство в несколько десятков нанометров, которое называется синаптической щелью (рисунок 10).

9. Поперечное сечение головного мозга во фронтальной плоскости перпендикулярно его переднезадней оси. Видимые полости называются желудочками

10. Функционирование типичного синапса

В окончании аксона содержатся пузырьки, наполненные молекулами – нейромедиаторами (приблизительно 4 000 молекул в одном пузырьке). Когда электрический сигнал (потенциал действия) проходит через аксон и достигает его окончания, мембрана пузырьков сливается с мембраной нервного окончания, высвобождая нейромедиаторы в синаптическую щель. Это очень быстрый процесс: он продолжается приблизительно 0,6 миллисекунды. Высвободившиеся нейромедиаторы в синаптической щели вступают тогда в контакт с окончанием нейрона, получающего информацию. Часто речь идет о небольших мембранных выростах или дендритных шипиках, покрытых рецепторами, которые специфически подходят к нейромедиаторам – подобно тому, как замок подходит своему ключу. Эти молекулярные ключи открывают двери мембраны: поры, ионные каналы, позволяют ионам проходить через эту преграду. Проходящие через нейрон зараженные частицы (в основном ионы натрия и калия) меняют разность электрического потенциала между внутренней и внешней сторонами мембраны дендрита. Затем нейромедиаторы будут снова захвачены аксоном либо для повторного использования, либо они будут разрушены в синаптической щели.

Между возбуждением и торможением

Какую роль играет впоследствии эта разность потенциала на уровне постсинаптического нейрона (нейрон, к которому приходит сигнал)?

Одни нейромедиаторы, известные как возбуждающие типа глутаминовой кислоты, способствуют уменьшению разности потенциала (деполяризация); другие нейромедиаторы, известные как блокирующие типа гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), приводят к ее увеличению (гиперполяризация). Нейрон является не только ретранслятором сигнала, передаваемого через синапс, – он постоянно суммирует поступающие на его дендриты сигналы, чтобы «решить», будет ли он передавать в свою очередь разность потенциала действия дальше или нет. Когда разность потенциала падает ниже порогового уровня через несколько синапсов, то нейрон отправляет потенциал действия через свой собственный аксон и процесс начинается сначала: второй нейрон передает сигнал третьему нейрону и т. д. От одного синапса к другому нейроны образуют таким образом функциональные соединения с другими нейронами. В постоянном взаимодействии нейромедиаторов и электрических сигналов они получают и передают данные по мозговым цепям, размер которых варьируется от нескольких клеток до крупных сетей, полностью охватывающих весь мозг.

Гармоничный баланс между торможением и возбуждением

Поддержание баланса между торможением и возбуждением обеспечивает нормальное функционирование нейронных сетей.

При гиперполяризации мембраны нейрона тормозные нейромедиаторы затрудняют ее деполяризацию. В результате ингибируется функционирование постсинаптического нейрона, так как ему становится сложнее запустить активацию потенциала действия. Если процессы торможения не протекают должным образом, то возникает риск чрезмерной и неконтролируемой разрядки нейронов, что приводит в худшем случае к парциальным или общим эпилептическим припадкам.

Вот поэтому противоэпилептические препараты направлены на восстановление физиологического равновесия между возбуждением и торможением путем регулирования открытия ионных каналов, поддержания тормозного действия ГАМК или уменьшения возбуждающего действия глутаминовой кислоты. Такие антидепрессанты нового поколения, как флуоксетин или сертралин, нейтрализуют повторный захват нейромедиатора серотонина. В результате серотонин остается свободным в синаптической щели и действует дольше.

Тщательно отобранные синапсы

В отличие от других клеток нашего тела, которые беспрестанно отмирают и заменяются новыми, нейроны мозга почти никогда, за редким исключением, не восстанавливаются. Мы сохраняем одни и те же нейроны на протяжении всей жизни и теряем те из них, которые вырождаются! Однако эта утрата не столь уж катастрофична: при рождении у нас приблизительно 100 миллиардов нейронов и эта цифра уменьшается у взрослого на 15 %. Тем не менее можно задаться вопросом, как нам удается усваивать новую информацию на протяжении всей жизни, если количество нейронов постоянно снижается.

Обучение действительно является одним из самых впечатляющих феноменов когнитивной жизни. Способности к обучению у ребенка превышают возможности самых мощных компьютеров! Сейчас уже хорошо известно, что краеугольным камнем обучения является беспрерывное изменение количества синапсов и их активности. По мере того как мы учимся и взрослеем, наш опыт подкрепляет те мозговые цепи, которые оказываются наиболее эффективными, в то время как другие ослабевают и постепенно исчезают. Таким образом, сохраняются те цепи, которые лучше всего справляются с нашим взаимодействием с внешним миром. Нейроны у новорожденного отличаются незрелыми синапсами и в то время, как малыш приобретает опыт общения с внешним миром, дендритные шипики претерпевают настоящую обрезку, благодаря которой бесполезные синапсы удаляются, а другие становятся более эффективными (рисунок 11). Обрезка синапсов является важным механизмом того, что принято называть нейропластичностью – речь идет о способности мозга к перестройке своей структуры и своего функционирования в качестве ответа на внешние события.

Нарушения в созревании синапсов могут приводить к различным формам умственной отсталости. Так, например, в случае синдрома Ретта, который является причиной аутизма у девочек, плотность дендритных шипиков снижена. При других формах аутизма недостаточная обрезка, напротив, приводит к избытку синапсов. Чрезмерная обрезка во время развития также может приводить к патологическому уменьшению синапсов при некоторых формах шизофрении. По-видимому, патологическая обрезка играет свою роль и при болезни Альцгеймера, в ходе которой в мозге происходит накопление патологического белка – амилоида. Согласно недавней гипотезе, это вещество может дестабилизировать расположенные поблизости синапсы и «помечать» их с целью дальнейшего удаления. Следовательно, этот процесс способен приводить к уменьшению синаптической плотности, отмечаемой у больных.

11. Различные этапы морфологического развития дендритов и их дендритных шипиков после рождения. Приводится по Smrt, R. D. et Zhao, X., Epigenetic regulation of neuronal dendrite and dendritic spine development, Frontiers, in Biology, вып. 5, 2012 г., стр. 304–323

Не только нейроны…

Хотя нейроны играют фундаментальную роль в обработке информации, выполняют эту работу не только они: мозг также состоит из других типов клеток. В частности, в нем очень много глиальных клеток – их доля составляет 15 % от площади серого вещества мозга и доходит до 65 % площади белого вещества. Их немного больше чем нейронов: в мозге взрослого человека насчитывается приблизительно 100 миллиардов глиальных клеток. Вплоть до недавнего времени считалось, что глиальные клетки играют простые вспомогательные роли, но сейчас стало понятно, что они имеют центральное значение в ряде аспектов обработки информации.

Давайте посмотрим прежде всего на то, что уже давно известно об этих клетках. Ранее мы говорили о том, что электрические сигналы, известные как потенциалы действия, распространяются по аксону иногда на длинные расстояния. Аксон передает сигналы сам, но делает это медленно. Для более быстрой передачи этих импульсов он должен иметь очень большую толщину (скорость проведения потенциала увеличивается с квадратным корнем диаметра аксона). Этот вариант использует кальмар, обладающий гигантским аксоном, диаметр которого составляет приблизительно один миллиметр. Между тем такие аксоны заняли бы слишком много места в мозге позвоночных, несмотря на то, что эти позвоночные нуждаются в быстром передвижении так же, как и кальмар.

Но в ходе эволюции решение проблемы все же нашлось – оно заключается в покрытии аксонов несколькими слоями изолирующего вещества, которое образует так называемую миелиновую оболочку. Скорость передачи сигнала в миелинизированных аксонах увеличивается приблизительно на 6 м/с на каждый микрон диаметра. Отдельные участки миелиновой оболочки тоньше и сильнее обогащены ионными каналами – известные под названием перехваты Ранвье, они восстанавливают потенциал действия через каждые 0,5–1 мм. Через мозг проходит от 150 000 до 180 000 километров миелинизированных аксонов – если их выстроить в один ряд, то его длина приблизительно соответствовала бы четырем окружностям нашей планеты!

Вырабатывающие миелин клетки делятся на две основные группы: клетки периферической нервной системы – шванновские клетки (леммоциты) и клетки центральной нервной системы – олигодендроциты (рисунок 12). Олигодендроциты также образуют первый тип глиальной клетки: они покрывают аксоны, изолируя их подобно пластиковой оболочке электрических кабелей. При некоторых неврологических заболеваниях типа рассеянного склероза и периферических полинейропатий аутоиммунный процесс затрагивает миелиновую оболочку и вызывает иногда серьезные нарушения функционирования мозговых цепей и нервных волокон.

Второй тип глиальной клетки выполняет иммунные функции – речь идет о микроглии. Она обеспечивает иммунный контроль в центральной нервной системе и поглощает отходы и отмершие клетки.

Новое о глиальных клетках

Что касается третьего и последнего типа глиальных клеток, то это тот тип, который принес нам больше всего сюрпризов за последние десятилетия, – речь идет об астроцитах. Эти клетки имеют отростки, которые не сильно удалены от тела клетки и похожи на лучи звезд, отсюда и их название. С помощью этих лучей-рук астроциты обхватывают нейроны и кровеносные сосуды мозга. И хотя этих сосудов в мозге очень много, не все, что циркулирует в крови, обязательно попадет в мозг – закрытый клуб со строгими требованиями. Отростки астроцитов действуют как ограждения: они принимают активное участие в создании барьеров между кровью и мозгом. Благодаря этому барьеру, на наше счастье, циркулирующие в крови бактерии или вирусы имеют мало шансов попасть в мозг.

12. Три типа глиальных клеток: олигодендроциты, астроциты и микроглия

Помимо этой первой защитной функции, астроциты также играют важную роль в активности синапсов: они участвуют в разрушении нейромедиаторов, высвобождающихся в синаптической щели. Вот поэтому теперь принято говорить о трехстороннем синапсе: он не просто является результатом бинарной композиции с двумя находящимися рядом нейронными окончаниями, но также включает ассоциированный отросток астроцита (рисунок 12). Несколько лет назад выяснилось, что астроциты участвуют в диалоге между нейронами еще более прямым образом: они способны синхронизировать активность синапсов, с которыми контактируют, или, обволакивая их, изолировать от расположенных рядом синапсов.

Астроциты также играют важную роль в обмене информацией между нейронами. Еще более впечатляющим является тот факт, что эти клетки могут «активироваться» глутаматом, поскольку у них есть такие же рецепторы, как и у нейронов. Глутаминовая кислота пропускает ионы кальция в астроцит, который затем передает эту активацию другим астроцитам благодаря «сообщающимся соединениям» – белковым мостикам, которые в некотором роде являются синцитиями астроцитов. Идеи, которые отстаивал Гольджи во время своего выступления на вручении Нобелевской премии, в конечном счете были не такими уж и неправильными: проблема была в том, что они относились не к нейронам, а скорее, к астроцитам!

Хотя мы все еще не знаем, в чем именно заключается функция этих волн активации астроцитов, тем не менее уже можно не сомневаться в том, что роль этих клеток не ограничивается лишь питанием и защитой нейронов. Коммуникационные способности астроцитов подчеркивают их важнейшее значение в «благородной» активности мозга – то есть в обработке информации.

С каждым новым научным открытием нейробиологи составляют все более подробную картину нашего мозга, включающего множество участников.

Подытожим: мозг млекопитающих покрыт толстым слоем – корой. Под ней находится беловатая масса, которая называется «белое вещество». В нем нет клеточных тел нейронов (преимущественно они находятся в коре) – там только их отростки. У человека белое вещество содержит более 100 000 километров пересекающихся каналов связи. Через этот гигантский лабиринт проходит обмен информацией, благодаря которому мы способны мыслить.

Как можно разобраться в этом сложном и, на первый взгляд, запутанном донельзя переплетении пучков, идущих во всех направлениях? Как определить, что тот или иной участок мозга контактирует с другим? В последние годы стала развиваться новая наука о нейросетях, которая может помочь с ответами на эти вопросы.

Считается, что толчком для развития этой науки стало решение, которое предложил швейцарский математик Леонард Эйлер (1707–1783) для знаменитой «задачи о семи кенигсбергских мостах». Как известно, через Кенигсберг (ныне Калининград) проходит река, которая образует два острова. Вот условия задачи: существует ли такой путь через город, который пересекает каждый из семи мостов между разными берегами только один раз? Эйлер доказал, что это невозможно. Для доказательства он нарисовал упрощенную схему с семью узлами, обозначающими мосты, и четырьмя зонами, обозначающими различные кварталы (рисунок 13). Оказалось, что значение имеет не столько сама география местности, сколько объединение ее элементов в одну сеть, что можно представить в виде графической модели (графа), в котором есть вершины (те места, куда хочется попасть), а эти вершины связаны между собой ребрами (мостами). Затем Эйлер сформулировал математические правила, которые делают такую прогулку возможной или невозможной. Так в математике родилась теория графов.

На основании этой теории можно разработать модель мозга в виде графа – сети или скопления нейронов (вершины), обозначить их парные соединения (ребра), а затем обработать эту абстракцию математическими методами теории графов. Принципы этой теории также применимы по отношению к системе любой сложности, включая, например, воздушное и автомобильное сообщения, доставку почты, сети сотовой связи, интернет и даже наш круг друзей и знакомых.

13. Граф центра старого Кенигсберга, нарисованного Эйлером (из книги 1741 года Solutio problematis ad geometriam situs pertinentis). Город пересекает река, рукава которой разделяют различные кварталы. Мосты (ребра графа) обозначены буквами от a до g, а кварталы (вершины графа) – от A до D

Хабы: приоритетные вершины

Недавние доработки теории графов дают новую информацию об этих сложных системах. Например, вопреки привычному мнению, вершины в этих системах не связаны случайно, с одинаковым количеством связей на вершину. Очень часто некоторые из них имеют гораздо больше связей, чем другие. Можно провести аналогию с аэропортами: такие крупные терминалы, как международные аэропорты – парижский Шарль-де-Голль или лондонский Хитроу – предлагают намного больше рейсов в другие аэропорты, чем маленькие терминалы в Лилле или, например, Монпелье. То есть из аэропорта Шарль-де-Голль пассажир может отправиться практически в любую точку мира, в то время как прямых рейсов из аэропорта Монпелье будет гораздо меньше.

Чтобы подчеркнуть такую приоритетную связность больших аэропортов, стали использовать англицизм hub: это слово означает ступицу колеса, которая соединена со всеми его спицами. Авиакомпании осуществляют значительную часть своих рейсов через эти хабы и обеспечивают там пересадки на самолеты, отправляющиеся во многие уголки мира. Это же слово – хаб – используется для обозначения вершин, которые имеют наибольшее количество связей в сложной сети, включая нейронную сеть головного мозга.

Это свойство обеспечивает определенную устойчивость таким сложным сетям: если они будут затронуты случайным образом той или иной аномалией, то повредится, скорее, одна из их многочисленных вершин с небольшим количеством связей. Их уязвимость обусловлена уровнем хабов: если эти несколько вершин с большим количеством связей, на которых держится вся сеть, будут повреждены, это повлияет на работу всей сети в целом. Здесь можно провести аналогию с огромным различием в плане последствий при забастовке, которая приводит к закрытию большого аэропорта, в отличие от забастовки в маленьком аэропорту.

Когда мир тесен!

В получившей широкую известность статье, опубликованной в 1998 году в журнале Nature, социолог Дункан Уоттс и математик Стивен Строгац приходят к парадоксальному выводу: количество этих обширных и разветвленных сетей включает не только связи между вершинами, расположенными рядом друг с другом (что кажется очевидным), но и некоторые связи между вершинами, которые значительно удалены друг от друга (что кажется куда менее очевидным). Получается, что коммуникативная связность внутри таких сетей зависит не только от физического соседства вершин, но и от наличия соединений между удаленными вершинами (рисунок 14). В такой сети две любых вершины всегда будут соединены слабым числом опосредованных связей.

14. Эти две сети включают одно и то же количество вершин и ребер, но средняя степень разделения между вершинами в сети справа слабее

Вот поэтому Уоттс и Строгац назвали такие сети «сетями тесного мира» (small world networks), что связано с популярной теорией шести рукопожатий, в соответствии с которой от любого человека на планете нас в среднем отделяют всего лишь шесть уровней связи, то есть пять уровней общих знакомых. Нам всем по опыту известно, что в ходе разговора с незнакомым человеком, мы нередко находим общих знакомых, что нашло свое отражение в известном выражении: мир тесен.

Короткие пути бывают опасны

Эти сети тесного мира очень распространены в природе и встречаются в самых разных сферах. Уоттс и Строгац приводят примеры 302 нейронов небольшого круглого червя нематоды Caenorhabditis elegans, электрическую сеть США и граф сотрудничества киноактеров – все это сети тесного мира!

У таких сетей есть очень разветвленные подсети, которые называются кликами, отличающиеся высоким коэффициентом кластеризации: существуют многочисленные связи между их членами (точное определение

клика обозначает совокупность связанных между собой попарно вершин). Они также обладают высоким уровнем глобальной взаимосвязи: расстояние между двумя вершинами – то есть число шагов, которые отделяют одну вершину от другой – в среднем довольно короткое.

Короткие пути сетей тесного мира определяют, например, закономерности возникновения и распространения некоторых инфекционных заболеваний. Пандемия Covid