Итак, цель участников проекта «Connectom» — это полное сканирование головного мозга человека. Однако при тех технологиях, которыми мы располагаем, подобная задача будет выполнена очень и очень не скоро.
До сих пор лишь одна-единственная группа исследователей отважилась создать трехмерную картинку головного нервного узла, на которой были бы отображены все клетки и синапсы. Разумеется, речь не идет о мозге человека. Подобной чести был удостоен крохотный червь Caenorhabditis elegans.
Ученым из Кембриджского университета удалось установить, что нервная система червя устроена очень просто. У него имеются 302 нервные клетки. Схема их соединения у каждого червя одинакова. Теперь мы точно знаем, какие нейроны нужны червю, чтобы ощущать запахи, осязать или чувствовать жару; нам известны все его синапсы.
Однако расшифровка даже этой примитивной схемы заняла долгих четырнадцать лет. Подсчитано, что при таких темпах понадобилось бы 3 миллиона человеко-лет, чтобы так же подробно описать участок полушария мозга человека длиной всего два миллиметра. Общий же объем информации, хранящийся в человеческом мозге, превышает (!) объем информации, накопленной всеми компьютерами мира.
Не случайно участники проекта «Connektom» предпочитают пока «теорию малых дел» – небольшие, но выполнимые в обозримом будущем задачи, приближаясь к непостижимой тайне мозга со скоростью, которая удивит самых медлительных улиток и черепах.
«Connektom» находится на переднем фронте науки, но вот постановка работы во многом старомодна, как признают участники проекта. Даже его идея вызывает отторжение у многих ученых, занимающихся проблемами мозга. Вот типичное мнение оппонента. «Я настроен скептично. Сторонники проекта ожидают, что, анализируя нервные соединения, нам удастся понять, как работает мозг, но пока мы очень-очень далеки от этого. Мы не понимаем даже самых простых вещей, как, например, мозг накапливает информацию. Кроме того, мы не учитываем, насколько же индивидуально разнится головной мозг отдельных людей» (Кристиан Элгер, невролог, клиника Боннского университета).
Разумеется, сама по себе «дорожная карта», то бишь схема соединений всех нейронов мозга, не раскроет окончательно его тайн. И все же, по мере сканирования мозга, нас ждет немало открытий. Полная расшифровка генома тоже позволила узнать поразительные вещи. Разве мы могли подумать, что у нас, людей, наберется лишь немногим больше генов, чем у мухи дрозофилы, хотя мы-то всегда считали, что по уровню развития гораздо выше ее?
…С появлением новых технологий все больше специалистов, занятых исследованием мозга, охвачены настоящей эйфорией. Так что же предстанет нам на новой, необычайно подробной карте мозга, которую предстоит создавать десятилетиями? Какие важнейшие пути распространения нервных импульсов проступят на ней сквозь белые пятна, все еще здесь остающиеся? Наука о мозге переживает новый подъем. Как генетика – пятнадцать лет назад, когда завершалась расшифровка генома. Как астрономия – двадцать лет назад, когда космический телескоп имени Хаббла заглянул в даль Вселенной и увидел множество объектов, не различимых прежде.
Пирамидный нейрон коры головного мозга
Пока же регулярно появляются всё новые сообщения об открытиях, сделанных в рамках проекта «Connektom». Так, в конце 2015 года на страницах журнала «Nature Neuroscience» опубликован отчет ученых из Йельского университета, которые убедились, что каждый человек думает по-своему, каждый уникален. Образцы нашего мышления так же неповторимы и индивидуальны, как отпечатки пальцев. Этот характерный «ритм» обдумывания у каждого человека остается неизменным, какую бы задачу он ни взялся решать.
В свою очередь, по этому «узору активности» мозга можно определить, насколько человек способен логически думать и решать сложные, неожиданные проблемы. Если бы в старинном Китае изобрели не только компас, но и томограф, то, наверное, томограмма заменила бы экзамены на знание конфуцианского канона, которые столетиями сдавали тамошние кандидаты в чиновники. В будущем же подобный анализ активности мозга позволит выбирать индивидуальную терапию при лечении людей с нарушениями психики. Несомненно, улучшится и диагностика таких заболеваний, как эпилепсия и шизофрения.
Время заполнять «дорожную карту» мозга пришло!
Нервные клетки не восстанавливаются?
Странно устроен человек. Почти все наши клетки неизменно обновляются. Лишь мозг, самый важный орган тела, обделен этой счастливой судьбой. С момента появления на свет число нейронов в нем неизменно убывает.
Эта неутешительная доктрина долго считалось непререкаемой. Известный испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль, нобелевский лауреат 1906 года, напрасно искал «новорожденные» нейроны в головном мозге человека – их не было. Казалось бы, точку в этих исследованиях поставил американский нейрофизиолог Паско Ракич в 1985 году. Изучив сотни образцов мозга обезьян, он категорично заявил: «В головном мозге ни одного взрослого животного не удалось найти хотя бы одной-единственной новой клетки, наделенной морфологическими особенностями нейрона».
Разумеется, ученые нашли объяснение, почему у ящериц и других примитивных созданий мозг всю жизнь прирастает нейронами, а мы этого прибытка лишены. Каждый наш нейрон со всеми его связями, материализующими опыт, неповторим. Для примера: крупный нейрон коры головного мозга может иметь десятки тысяч синапсов. Как перенести их на новую клетку?
Тем временем зоологи понемногу подтачивали прежнюю догму, оставляя человека на островке, окруженном бессчетными «примитивными животными». Так, в 1965 году Джозеф Олтман и Гопал Дас из Массачусетского технологического института, используя маркирующие вещества, выяснили, что в головном мозге мышей все-таки появляются новые нейроны.
В начале 1980-х годов американский биолог Фернандо Ноттебом, исследуя головной мозг самцов канареек, обнаружил, что его отделы, отвечающие за разучивание мелодий, то расширяются по весне, когда птицы пытаются привлечь пением самок, то позднее сжимаются. При этом меняется и число нейронов!
Значит, у многих животных есть потенциал для восстановления ткани мозга. А человек? Неужели он этим обделен? Ведь другие части нашего тела могут восстанавливаться благодаря стволовым клеткам – прототипам всех остальных клеток. Они словно семена: если где-то повредится телесная ткань, организм бросает это семя, и оно вырастает, например, клеткой печени или хряща.
Перелистывая сводку открытий, обязательно упомянем, что в 1990-х годах стволовые клетки – прямые предшественницы нейронов – были обнаружены в головном мозге крыс и обезьян, весьма умных млекопитающих. Появилась надежда, что и в их мозге могут возникать новые нейроны.
Наконец, в 1998 году немецкий биолог Эберхард Фукс и американский психолог Элизабет Гоулд, обследуя обезьян, обнаружили в их мозге новые клетки. Выяснилось и основное место их рождения: гиппокамп – отдел мозга, играющий ключевую роль в формировании памяти. Очевидно, там на протяжении всей жизни обезьян из стволовых клеток постоянно возникают тысячи новых клеток. Впрочем, общее число нейронов в мозге обезьян почти не меняется, поскольку старые нейроны теми же темпами отмирают.
Однако этот и другие опыты не могли доказать, что такой же механизм действует в головном мозге человека. Сама постановка такого опыта над Homo sapiens была бы немыслима, ибо без скорого вскрытия нельзя убедиться в изменениях, произошедших в мозге.
Помогла случайность. Шведский нейробиолог Петер Эриксон узнал, что в онкологических клиниках применялся тот же маркирующий препарат, бромдеоксиуридин, который в опытах с обезьянами помогал отыскивать новые клетки мозга. Здесь он был нужен, чтобы следить за ростом опухоли мозга. Позднее, в том же 1998 году, обследовав мозг пациентов, умерших от рака, ученый убедился, что в их гиппокампе вплоть до смерти каждый день возникало от 500 до 1000 нейронов.
Долгое время неврологи считали мозг взрослого человека чем-то на удивление статичным, неподвижным. Жесткой, застывшей структурой, которая не способна меняться. Слова Рамона-и-Кахаля, сказанные им в 1928 году, звучали как приговор: «В головном мозге взрослого человека нервные пути остаются неизменными. Всё здесь может лишь умереть, но ничто не может восстановиться».
Однако теперь мы понимаем, что наш мозг – все-таки поразительно гибкая структура. Он может и приспосабливаться к тому, что происходит с ним, и меняться в ответ. Вопреки прежним предрассудкам, здесь вызревают всё новые нервные клетки – те самые, что, считалось, могут лишь безвозвратно гибнуть в глубинах мозга.
На этой способности мозга – его, говорят специалисты, «нейропластичности» – медики основывают теперь свои надежды, приступая к лечению людей, получивших тяжелые черепно-мозговые травмы. Утраченное можно вернуть! Надо лишь побудить мозг встряхнуть свое оцепенение и заново учиться делать то, что могла пострадавшая из-за болезни или травмы его часть.
Какие же факторы влияют на этот процесс? Опыты над теми же обезьянами показали, например, что приносит особенный вред тканям мозга. Так, даже небольшой стресс подавляет появление новых нервных клеток. Вероятно, это связано с действием гормона стресса – кортизола. В опыте Элизабет Гоулд самцов сгоняли в тесную вольеру и запирали там. В такой «нервной» обстановке всего лишь часа было достаточно, чтобы число новых нейронов снизилось примерно на треть.
Таким образом, тот факт, что при стрессе страдает способность думать и запоминать, имеет не только физиологическую, но и анатомически точную причину.
Астроциты – самый многочисленный и наиболее важный тип клеток
«Хронический стресс препятствует появлению в гиппокампе новых нервных клеток, – пишет американский психиатр Тарик Перера. – Это приводит тому, что человек перестает воспринимать что-то новое вокруг себя, какие-то необычные мелочи. Он не замечает даже, что ситуация стала иной, всё меняется постепенно к лучшему, но он по-прежнему всё время мрачен – вот именно это мы, психиатры, и называем депрессией».