Читать книгу Женский мозг: нейробиология здоровья, гормонов и счастья - Сара Маккей - Страница 13

Если вы присутствовали на нейрохирургической операции или смотрели ее запись на YouTube, вы могли заметить, что живой человеческий мозг не розовый и не голубой. Он пульсирующий, сиреневато-серый. Самый наружный складчатый слой коры, серое вещество, получило свое название за внешний вид. Оно содержит тело нейронов, их разветвленные отростки, которые называются дендритами, а также клетки других типов – глии. На глубине сантиметра под поверхностью находится белое вещество, состоящее из нервных пучков, соединяющих вместе разные области серого вещества.

Как правило, в каждом полушарии коры головного мозга выделяют четыре доли: лобную, височную, теменную и затылочную. Если не вдаваться в подробности, то у каждого вида – свои задачи. Затылочные доли обрабатывают зрительные образы. Височные отвечают за звуковую информацию, речь и память. В теменные поступают данные от органов чувств, связанные с движением. А лобные доли, которые у людей крупнее и гораздо более развиты, чем у любых других млекопитающих, управляют движениями, языком, абстрактным мышлением и вниманием.

Откуда мы знаем, какая часть мозга чем занимается? Подсказка – в первых строках шедевра Оливера Сакса «Человек, который принял жену за шляпу»: «Дефицит, излюбленное слово неврологов…» Функциональный дефицит, вызванный, например, инсультом или опухолью мозга, дал неврологам первое представление о том, что называется «локализацией функции»[29].

Как рассказывает Сакс, исследовать взаимосвязь мозга и разума начали в 1861 году. Тогда французский невролог Поль Брока обнаружил, что речь неизменно нарушается из-за поражения конкретного участка левой височной доли. Так был открыт путь к составлению карт человеческого мозга. Отдельным его участкам стали приписывать конкретные способности – лингвистические, интеллектуальные, эмоциональные, зрительные и т. д. Во время работы над диссертацией я провела сотни часов, вводя вольфрамовые микроэлектроды на глубину 4 мм в ту часть затылочной коры головного мозга, где, как я точно знала, смогу записать входящий сигнал от одного или другого глаза. Аналогично нейрохирурги используют стимулирующие электроды, чтобы провести тщательное картирование головного мозга, и лишь потом берутся за скальпель. Это помогает не задеть жизненно важные области. Современная фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография) выдает карту мозгового кровообращения, по ней можно судить об активности разных участков и локализации функций.

Конкретная задача или черта никогда не «привязывается» к определенному месту в коре головного мозга на всю жизнь. Не забывайте, что мозг пластичен и меняется в течение жизни. В опытах с вольфрамовыми микроэлектродами мне удалось управлять предпочтением левого или правого глаза для отдельно взятого нейрона, в зависимости от того, какой глаз закрывала повязка. Другие исследователи доказали, что зрительные нейроны можно научить реагировать на звуки, если перенаправить поступающие от уха сигналы. На нейропластичности основана наша способность усваивать и запоминать информацию, а также восстанавливаться после таких поражений головного мозга, как инсульт.

Если копнуть чуть глубже, мы увидим, что специфичность участков мозга поддерживается многообразием. Даже, казалось бы, у простейших структур набор клеток удивительно богат. В сетчатке глаза – десятки видов нервных клеток, в спинном мозге – более сотни типов специализированных нейронов, управляющих мышцами. На ранней стадии развития эмбриона разнообразие достигается благодаря химическим градиентам и сигнальным молекулам. Например, ориентация «голова-хвост» или «право-лево» зависит от того, насколько близко или далеко находится клетка к источнику вещества, которое влияет на включение или выключение генов и тем самым определяет развитие клетки определенного типа.

Разнообразие и точность связей, сформированных многими миллиардами нейронов за время внутриутробного развития, – основа поразительных способностей нашего мозга и разума. Мозга, который позволяет нам любить, чувствовать, существовать в мире, создавать произведения искусства, запускать спутники в космос даже при таких нарушениях, как у пациента Сакса, который «протянул руку, схватил свою жену за голову и… попытался приподнять ее, чтобы надеть на себя»[30].

Рождение новых клеток мозга

От нескольких сотен клеток, свернувшихся в нервную трубку, до 86 миллиардов на редкость разнообразных нейронов в мозге новорожденного – колоссальный рост. С помощью простых вычислений можно определить, что за одну минуту внутриутробного развития появляется от четверти до половины миллиона нейронов. Пролиферация мозга (то есть разрастание ткани за счет деления клеток) сводится к клеткам всего одного типа – стволовым.

Этот термин напоминает о сумасшедших ученых, перспективных средствах для лечения рака и болезни Паркинсона, спорах об этичности использования тканей абортированного человеческого плода. Однако в естественной среде стволовые клетки существуют без всяких драм.

У них два уникальных свойства: бесконечно делиться, создавая многочисленные копии самих себя, и видоизменяться в клетки любого типа, содержащиеся в организме. Нервные стволовые клетки, как понятно из названия, производят клетки всех типов, какие только есть в мозге и нервной системе, в том числе нейроны и глия. Нейроны образуются из стволовых клеток в процессе нейрогенеза, а глия – глиогенеза.

Половина клеток мозга – это глия. Среди них различают три основных подтипа: астроциты, олигодендроциты и микроглия. Сам термин «глия» происходит от древнегреческого слова, означающего «клей»: некогда считалось, что такие клетки предназначены исключительно для того, чтобы скреплять нейроны. Но глия не просто удерживает структуру мозга. Разные виды глии обеспечивают питание нейронам, вычищают токсины во время сна (астроциты), изолируют аксоны нейронов миелином (олигодендроциты, или шванновские клетки периферийной нервной системы) и действуют как внутренняя иммунная система мозга (микроглия). Глиогенез происходит на протяжении всей жизни человека. На снимках головного мозга по изменению объема или плотности белого вещества можно видеть, как увеличивается или сокращается число олигодендроцитов.

Нейрогенез в мозге взрослого человека изучен не так хорошо. Этот процесс у людей среднего возраста был впервые описан в знаковом исследовании о содержании в атмосфере углерода-14. Этот радиоактивный изотоп углерода активно образовывался при ядерных взрывах и попадал в ДНК. В 1955–1963 годах его концентрация в атмосфере выросла из-за надземных ядерных испытаний во время холодной войны. В воздухе углерод-14 вступает в реакцию с кислородом. Образуется углекислый газ – диоксид углерода СО₂, который растения поглощают в процессе фотосинтеза. Когда мы едим эти растения или мясо питающихся ими животных, углерод-14 попадает в наши клетки. Те делятся, оставляя в ДНК «пометку о дате» деления. У людей, живших в годы холодной войны, все вновь появившиеся нейроны в мозге оказались «помеченными» углеродом-14. Выяснив это, нейробиологи определили, что в гиппокампе каждого человека средних лет ежедневно появляется 700 новых нейронов, маркированных углеродом-14. Гиппокамп (от др.– греч. «морской конек») – центр обучения и памяти мозга, формой он и правда напоминает эту забавную рыбку[31].

Понятно, что нейрогенез вызывает нешуточный ажиотаж, особенно его перспективы в терапии и борьбе со старением мозга. И правда, кому не понравится, что клетки мозга у нас ежедневно пополняются, а не теряются с возрастом? Но какими бы внушительными ни казались эти цифры, 700 нейронов в день – это всего 0,004 % от общего количества клеток одного типа, содержащихся в гиппокампе. И это в 10 раз ниже, чем у грызунов, которых используют в исследовании неврологических заболеваний. Поэтому некоторые ученые задаются вопросом, какой вклад это сравнительно небольшое количество новорожденных нейронов вносит в сложные формы поведения и психиатрические расстройства[32]. Воодушевления еще немного поубавится, если осознать, что подавляющее большинство исследований нейрогенеза проводилось на подопытных животных, а не на людях. Нам известно, что нейрогенез у грызунов замедляется из-за стресса, депрессии или воспаления и ускоряется благодаря антидепрессантам, физической активности и обучению. Но мы понятия не имеем, происходит ли то же самое с мозгом взрослых людей.

Вирус Зика нарушает миграцию клеток мозга

В конце 2015 года в мировой прессе появились сообщения: в Южной Америке, особенно в Бразилии, рождается необычно много младенцев с непропорционально маленькой деформированной головой (микроцефалией). По этому поводу высказывались разные гипотезы, но большинство свидетельств указывало на вспышку вируса Зика как возможную причину. Эту инфекцию переносят комары. Столицей летней Олимпиады 2016 года стал Рио-де-Жанейро, и многие туристы и спортсмены даже подумывали пропустить игры, чтобы не заразиться.

Оказалось, что вирус Зика поражает клетки мозга определенного типа, которые называются радиальной глией. Эта структура выступает в роли нервных стволовых клеток, а еще вдоль нее мигрируют новорожденные нейроны. На поперечном сечении развивающейся нервной трубки видно, что радиальная глия располагается в толще стенки, поперек трубки, – как спицы в колесе велосипеда. Появившись, нейроны движутся внутри трубки вдоль радиальной глии, пока не займут свое место. Каждый новорожденный нейрон проползает по своим собратьям, которые уже закрепились. Так шесть слоев коры головного мозга наращиваются изнутри наружу. Дата рождения нейрона определяет его «почтовый индекс» – место, где он окажется. Полностью выполнив свою функцию в развитии, радиальная глия втягивает отростки, сворачивается в шар и превращается в астроциты.

Сегодня, когда я пишу эти строки, исследования показали: если беременная женщина заражается вирусом Зика, инфекция проникает в радиальную глию плода и вызывает врожденные пороки. Клетки радиальной глии перестают расти, делиться и не выживают. В итоге сокращается численность нейронов, рождающихся и мигрирующих на свои позиции. Возможно, именно поэтому младенцы рождаются с явно недоразвитым мозгом[33], [34].

Половина нейронов рождается, чтобы умереть

При нормальной беременности значительная часть нейрогенеза завершается к пятому-шестому месяцам. А затем происходит кое-что неожиданное: половина родившихся нейронов умирает.

Нейроны погибают в ходе апоптоза (от др.– греч. слова, означающего «листопад»). Это процесс клеточного суицида, который строго регулируется. Апоптоз кажется нерациональным, но он позволяет установить окончательное число нейронов и глиальных клеток и распределить нейроны по целям, которые им предстоит иннервировать, связать с нервной системой. Легче всего представить, зачем нужен апоптоз, на примере других тканей. Сначала рука ребенка – сплющенная, с перепонками, похожа на утиную лапу. Чтобы появились человеческие пальцы, клетки перепонки сжимаются и отмирают.

Молекулы направляют аксоны к их целям

«Мозг – это мир, состоящий из неизведанных материков и неизвестных протяженных территорий», – писал Сантьяго Рамон-и-Кахаль, удостоенный в 1906 году Нобелевской премии по физиологии и медицине. Испанского врача и гистолога часто называют крестным отцом современной нейробиологии.

Кахаль прав. После рождения и миграции к конечному пункту все выжившие нейроны, не приговоренные к апоптозу, пускают отростки. Многие из этих отростков, называемых дендритами, внешне похожи на ветки дерева и действуют как приемные устройства – получают сигналы от других нейронов. Аксон – это устройство вывода нейрона. Длинный и тонкий, похожий на лиану отросток, который передает электрические сигналы от клеточного тела нейрона. Как только нейрон осваивается в своем доме и обзаводится отростками, аксон отправляется в путешествие.

Растущий кончик аксона, называемый конусом роста, – настоящее чудо. С одной стороны, это сенсорная структура, способная ориентироваться в своем окружении по молекулярным и химическим указателям. С другой – это двигатель, деятельность которого физически продвигает аксон по территории мозга плода. Аксон перемещается на короткие расстояния и соединяется с соседями, удаленными всего на несколько микронов. Он же растягивается на метры (на всю длину пути вниз по спинному мозгу и до большого пальца ноги) – все равно что младенец прополз бы из Перта на юго-западе Австралии до многоквартирного дома на набережной в Сиднее и постучал в дверь определенной квартиры. Настоящий навигационный подвиг! Как только растущий аксон достигает места назначения, конус роста разрушается и преобразуется в специализированную структуру, называемую синапсом.

Синапсы – миниатюрные зоны коммуникации

Два нейрона не соприкасаются друг с другом: их разделяет самый крохотный из зазоров – синапс. Он превращает электрический сигнал в химический и передает через узкую синаптическую щель, где принимающий нейрон снова преобразует его в электрический.

29

Sacks O. The man who mistook his wife for a hat. London: Picador Classic, 1985.

30

Сакс О. «Человек, который принял жену за шляпу» и другие истории из врачебной практики / Пер. с англ. Григория Хасина и Юлии Численко. СПб.: Science Press, 2006. – Прим. ред.

31

Eriksson P. S. et al. Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat. Med. 1998; 4 (11): 1313–1317.

32

Dennis C. V. et al. Human adult neurogenesis across the ages: An immunohistochemical study. Neuropathol. Appl. Neurobiol. 2016; 42 (7): 621–638.

33

Wu J. et al. Available evidence of association between Zika virus and microcephaly. Chin. Med. J. (Engl.) 2016; 129 (19): 2347–2356.

34

Wu K. Y. et al. Vertical transmission of Zika virus targeting the radial glial cells affects cortex development of offspring mice. Cell Res. 2016; 26 (6): 645–654.