Микромир мозга

Микромир мозга

В течение тысячелетий человек стремился познать законы собственного мышления. Однако к окончательному выводу о том, что именно мозг является тем органом, где зарождается наша психика, ученые пришли совсем недавно, немногим более двухсот лет назад. В это время менялись представления о мозге, разрабатывались оригинальные подходы и методы его исследования, выдвигались новые гипотезы. А сколько дискуссий и споров разгоралось вокруг тайн строения и функционирования мозга! Пожалуй, основной из них была дискуссия, связанная с проблемой клеточного строения мозга. Долгое время исследователи считали, что все клетки мозга соединены в последовательную цепь и вещество одной клетки без перерыва переходит в вещество другой. Только в 20-х годах прошлого столетия замечательным испанским ученым-анатомом Сантьяго Рамон-и-Кахалем была основана так называемая нейронная теория, позволившая вывести науку о мозге на новый уровень исследований. Согласно этой теории, вся нервная система и конечно же наш мозг построены из отдельных, обособленных друг от друга клеток, названных нейронами. Нейроны имеют множество отростков, с помощью которых, соприкасаясь, вступают в тесный контакт между собой. Место соприкосновения (область контакта) нервных клеток друг с другом получило название синапса (см. рисунки на с. 57 и 58).

Пирамидальный нейрон, по-видимому, способен модулировать поступающие и выходящие из него сигналы. Каждый такой нейрон покрыт многими тысячами шипиков – небольшими бугорками, на которых осуществляются синаптические соединения. Морфология синапсов варьирует в зависимости от того, являются ли они возбудительными или тормозными. Синаптические соединения в коре, содержащие дофамин, относятся к тормозному типу

Пирамидальный нейрон

В дальнейшем перед учеными встал другой, не менее важный вопрос, вызвавший новую волну споров и дискуссий. Каким способом передается возбуждение с одного нейрона на другой, т. е. каким образом совместная работа нервных клеток обеспечивает функционирование мозга в целом?

Если мы попробуем рассмотреть строение мозга под микроскопом, то перед нами предстанет увлекательная картина. Типичный нейрон имеет тело (диаметром от 5 до 100 микрометров), главная функция которого – производство веществ, необходимых для обеспечения жизнедеятельности клетки. От тела отходит один длинный отросток – аксон (у клеток мозга человека его длина колеблется в пределах от 0,1 мм приблизительно до 1 м!) и множество коротких, сильно ветвящихся отростков – дендритов, длина которых не превышает 100 микрометров. Поскольку дендрит начинает «ветвиться», как правило, лишь на конце, его иногда так и называют «дендритное дерево». Каждая часть нейрона выполняет собственную важную функцию.

Как же осуществляется процесс передачи информации в нервной системе? С помощью дендритов принимаются поступающие сигналы; тело клетки комбинирует и интегрирует эти сигналы, формируя тем самым свой собственный электрический импульс, который далее распространяется по ее длинному отростку – аксону, обычно контактирующему с дендритами другой клетки.

Как мы уже знаем, подобная передача информации происходит в местах специфического контакта – синапсах, где электрический импульс приводит к выделению химических веществ в микроскопических количествах. Эти вещества могут быть разными, но все они называются посредниками – медиаторами. Под их воздействием в нервной клетке, с которой осуществляется контакт, формируется новый импульс… и так до бесконечности. Некоторые нейроны посылают свои аксоны к мышцам, которые под влиянием нервных импульсов могут сокращаться. А если аксон заканчивается на железе, то нервные импульсы приводят к выделению специфического для нее секрета (слюны, поджелудочного сока и др.). Большинство ученых сегодня считают, что информация, которую мы воспринимаем, записывается (кодируется) порядком следования нервных импульсов. Порядок может быть разным для каждой отдельной нервной клетки и зависит от того, какой медиатор и в каком количестве выделяется в тех синапсах, которые расположены на клетке.

Человеческий мозг – это, быть может, самая сложная из всех живых структур во Вселенной. Полагают, что мозг человека состоит из 1011 нейронов (сто миллиардов) – это приблизительно столько же, сколько звезд в нашей Галактике! – и каждый из них получает информацию от 1000 других нейронов. Количество синапсов на каждой нервной клетке различно. Так, крупные нейроны головного мозга человека могут иметь от 4 до 20 тысяч синаптических контактов, другие же – лишь по одному. Организация сложной сети межнейронных связей намного превосходит любую совершенную электронную схему. Хотя в большинстве случаев синапсы образуются между аксонами одной клетки и дендритами другой, существуют и иные типы синаптических контактов: между аксоном и аксоном, между дендритом и дендритом, между дендритом и телом клетки. Вряд ли кто сегодня возьмется с точностью подсчитать количество синапсов в мозгу человека, но число 1014 (сто триллионов) не кажется ученым невероятным. К настоящему времени структура нервной клетки довольно хорошо изучена и не представляет собой чего-то таинственного. Однако, изучая мозг животного и мозг человека, мы сталкиваемся с парадоксальным фактом: нервные клетки того и другого не имеют каких-либо качественных отличий и являются как бы «типовыми» строительными блоками мозгового вещества живых организмов. Но если мы сравним психическую деятельность даже таких представителей отряда приматов, как человекообразные обезьяны (шимпанзе, гориллы, орангутаны, гиббоны) и человека, то у последнего она будет много сложнее и совершеннее.

В чем же состоит секрет поразительной уникальности человеческого мозга, делающий его высшим творением природы? Может быть, ответ на этот вопрос следует искать не в клеточном строении мозга, а в огромной сложности устройства связей между отдельными нервными клетками? Исследовательский поиск полностью подтвердил правильность такого предположения, но поставил перед учеными целый ряд новых интереснейших загадок! С одной из них я вас сейчас и познакомлю.

В ходе исследований межнейронных связей было установлено, что подавляющее число синапсов размещается на дендритах нервной клетки. Поверхность дендрита снабжена густой сетью мельчайших грибообразных выростов, получивших название шипиков. Вот эти-то образования нервных клеток и оказались для ученых наиболее интересными, но… и наиболее спорными. До применения техники с высокой разрешающей способностью многие ученые сомневались в существовании шипиков. Сегодня, благодаря использованию электронного микроскопа, позволяющего увеличивать изображение в сотни тысяч и миллионы раз, мы можем проникнуть в святая святых мозга – его микромир – и исследовать строение даже таких мельчайших образований, какими являются шипики. Теперь нам известно, например, что шипик состоит из ножки и головки. Головка шипика имеет диаметр 1–2 микрометра, а ножка – 1–0,2 микрометра, длина же его может достигать 3–4 микрометров и больше. И вот оказывается, что окончание аксона одной клетки чаще всего контактирует не с самим дендритом другой клетки, а с расположенным на его теле шипиком, поэтому такой контакт получил название аксо-шипикового синапса.

Данные тончайших микроскопических исследований зачастую помогают ученым в раскрытии тех или иных тайн природы и позволяют ответить на многие важные вопросы. Удалось установить, что шипики играют важнейшую роль в психической деятельности человека. Здесь на помощь ученым пришли также данные клинической медицины. Оказалось, например, что некоторые психические заболевания связаны как раз с нарушением функции шипиков. При исследовании мозга больного, страдавшего при жизни одним из тяжелых психических заболеваний – шизофренией, проявлявшейся в нарушении всех психических функций, и прежде всего мышления, перед взором ученых предстала следующая картина. На первый взгляд каких-либо явных признаков повреждений мозга не было видно, однако тонкий микроскопический анализ мозга выявил резкое уменьшение числа шипиков, у оставшихся же наблюдалось нарушение их нормальной конфигурации: они были едва заметны, имели скрученную форму, у многих полностью отсутствовала ножка, что делало их похожими на пеньки. Таким образом, можно сделать предположение, что наша мыслительная деятельность как-то связана с работой дендритных шипиков.

Сходная картина была выявлена и при микроскопическом исследовании мозга человека, ранее страдающего так называемым старческим слабоумием, при котором происходят необратимые изменения психической деятельности, проявляющиеся в снижении способности к познанию, утрате приобретенных знаний, изменении поведения. Главным же симптомом этого заболевания пожилых людей считают нарушения функций памяти. Поэтому учеными был сделан вывод о том, что и память, как основное свойство мозга, связана с нормальной работой дендритных шипиков.

Однако вы можете правильно заметить, что приведенные мной примеры взяты из области патологии и характеризуют тяжелые последствия нарушений деятельности шипиков. Когда и как закладываются эти мельчайшие структурные образования в мозге нормального человека? Этот же вопрос встал и перед учеными, которые решили обратиться к «истокам» формирования шипиков в процессе развития мозга и организма в целом. И здесь ответить на целый ряд вопросов, как всегда, помогли экспериментальные исследования на животных, о некоторых из которых я и расскажу вам.

В одной из лабораторий Института биокибернетики имени Макса Планка, который находится в городе Тюбингене (Германия), ученые исследовали основные этапы созревания структур мозга у животных с момента рождения. И вот сотрудник лаборатории доктор Альмут Шуц задумала сложный, но любопытный эксперимент. Задача, казалось бы, была проста: необходимо было сравнить количество шипиков на поверхности дендритов нервных клеток мозга у морских свинок и белых крыс. Почему были выбраны именно эти животные? Прежде всего потому, что они принадлежат к одному и тому же отряду млекопитающих – грызунам, а это является одним из важных условий для сравнительного анализа. В то же время эти два вида животных имеют совершенно различные особенности развития. Если морские свинки рождаются уже зрячими, готовыми для самостоятельной жизни, то белые крысы появляются на свет совершенно слепыми, беспомощными и не способными прожить без постоянного материнского ухода. Оказалось, что эти особенности развития находят свое отражение и в тонком строении головного мозга животных. Доктор Альмут Шуц установила, что если у морских свинок дендриты нервных клеток к моменту рождения были снабжены значительным числом шипиков и их количество уже в первую неделю самостоятельной жизни возросло во много раз, то у белых крыс шипики на дендритах вообще отсутствовали, а их последующий рост проходил очень медленно. Только ко времени открывания глаз, начала активного передвижения и, наконец, самостоятельного питания количество шипиков у белых крыс лишь приблизилось к той цифре, которую уже давно достигли морские свинки.

Выходит, что головной мозг зрелорождающихся животных (в данном случае морские свинки) к моменту рождения снабжен определенным запасом шипиков, позволяющих животному активно осуществлять нормальное поведение уже с первых дней самостоятельной жизни. У незрелорождающихся (белые крысы) образование и рост числа шипиков, по-видимому, является прямым следствием восприятия животными новой информации, обучения и тренировки памяти.

Интересно, что последнее предположение нашло свое блестящее экспериментальное подтверждение в работах другого исследователя – профессора Габриеля Хорна. В его лаборатории, находящейся в Оксфордском университете (Англия), изучали одно из удивительных явлений обучения и памяти, которое впервые было описано знаменитым австрийским зоологом Конрадом Лоренцом и названо им запечатлением (по-английски – imprinting). Приведем классический пример этого явления. Новорожденные цыплята, едва вылупившись из яйца, обладают уникальной врожденной способностью мгновенно запоминать, как бы фотографировать первый увиденный ими предмет и следовать за ним. В обычных природных условиях этим «предметом», как правило, оказывалась курица-мама, и именно ее образ прочно запечатлевается в мозге вылупившихся цыплят. Отныне они будут неотступно идти за курицей, куда бы она ни пошла. Глубокий биологический смысл этого явления состоит в том, что обеспечивается охрана потомства. Природа придумала очень мудро: ведь поодиночке эти несмышленыши могли бы стать легкой добычей хищников, а так мама, не боясь растерять своих детей, может спокойно заняться необходимым делом, например поиском пищи. Такое свойство мозга – мгновенно запечатлевать окружающий мир – проявляется, однако, только в течение довольно короткого периода времени после рождения животного. Но несмотря на то, что потом эта уникальная способность утрачивается, сформированные на ее основе памятные следы остаются и могут храниться на протяжении всей жизни животного.

«Но при чем же здесь шипики?» – спросите вы. Так вот, английский физиолог Г. Хорн провел интереснейший эксперимент. Только что вылупившихся цыплят разделил на две группы. Цыплятам первой группы уже через короткое время была показана геометрическая фигура в форме пирамиды зеленого цвета. Второй же группе цыплят, служившей в эксперименте для контроля, не было предъявлено никаких объектов – символов. Затем цыплят обеих групп вновь объединили и перед ними поставили ту же самую пирамиду. Что же увидел исследователь? Те цыплята, для которых пирамида стала первым объектом знакомства с окружающим миром, сразу собрались кучкой возле нее. Любая попытка перемещения пирамиды по экспериментальному манежу влекла за собой и изменение поведения этих цыплят: тоненько попискивая, они всякий раз со всех ног бежали за зеленой «мамой». Остальные же цыплята при этом оставались невозмутимыми, продолжали спокойно разгуливать по манежу, безразлично относясь к происходящему. Стало быть, в памяти обученных цыплят запечатлелся определенный образ, который и управлял их поведением.

Цыплята, для которых пирамида стала первым объектом знакомства с окружающим миром, сразу собрались кучкой возле нее

Далее начался кропотливый поиск тех структур мозга, которые ответственны за процессы запечатления. И оказалось, что у обученных цыплят в некоторых отделах мозга количество дендритных шипиков на единицу площади в несколько раз больше, чем у необученных. Значит, такая форма обучения и памяти, как запечатление, впрямую зависит от процесса образования шипиков и увеличения синоптических контактов с ними. Примеры подобных научных поисков можно было бы продолжить, но сейчас мне хочется остановиться на главном, что вытекает из всех этих исследований. Существует распространенное мнение о том, что животное рождается на свет с определенным количеством нервных клеток мозга и их число не возрастает, несмотря на то, что по мере взросления животного масса мозга может увеличиваться. В отличие от других клеток нашего организма нервные клетки не размножаются, и их количество на протяжении индивидуальной жизни организма может только уменьшаться. (Вспомните хотя бы довольно расхожую присказку: «Не надо волноваться! Нервные клетки не восстанавливаются!») По правде сказать, с трудом верится в такую «неосмотрительность» природы. И вот оказывается, что она нашла выход из этого положения, но не за счет количественного увеличения нервных клеток, а за счет качественного совершенствования связей между ними, которое выразилось в прогрессивном увеличении числа дендритных шипиков (а значит, и контактов между клетками) по мере обучения животного, т. е. по мере освоения им окружающего мира и приобретения жизненного опыта, зафиксированного в памяти. Расстройства же процессов обучения и памяти связаны как раз с обратными явлениями «сморщивания» шипиков и разрыва контактов между клетками. Поистине «мал золотник, да дорог»!

Так учеными была раскрыта еще одна из тайн нашей психики и доказано, что такие важные для живых организмов процессы, как обучение и память, основываются прежде всего на функционировании заново формирующихся контактов между нервными клетками мозга.