Паоло Бартоломео – Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека (страница 4)

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.

Глава 3

Социальная жизнь нейронов

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.