носе: когда он собрал химические вещества (“перфузат”), выделявшиеся при стимуляции блуждающего нерва второй лягушки, и ввел их в сердце первой лягушки (которое билось в ускоренном ритме), оно стало биться медленнее. Поскольку у первой лягушки нерв был удален, он не мог оказывать действие на сердце. Эффект мог быть вызван только “перфузатом”.
Итак, какое-то химическое вещество (а не электрический импульс), выделяемое блуждающим нервом, можно перенести от одного животного к другому, чтобы контролировать частоту сердцебиений. Позднее выяснилось, что это вещество – нейромедиатор – было не чем иным, как ацетилхолином, уже ранее идентифицированным Генри Дейлом.
К концу 1940-х годов, по мере накопления данных в поддержку гипотезы Дейла и Лёви, в нее поверил даже Экклс. Дейл и Лёви, удостоенные в 1936 году Нобелевской премии, писали, что обращение Экклса было подобно “обращению Савла[124], шедшего в Дамаск, когда он внезапно увидел свет, «как будто чешуя спала с его глаз»”18.
Теперь мы знаем, что эти химические вещества, нейромедиаторы, хранятся в везикулах (мембранных мешочках) на конце аксона. Когда электрический импульс достигает конца аксона, везикулы реагируют на него, выбрасывая свое содержимое. Молекулы пересекают пространство между двумя клетками (синапс) и запускают следующий этап стимуляции. Они связываются со своими рецепторами на дендритах следующего нейрона, открывают ионные каналы и инициируют прохождение импульса по второму (принимающему) нейрону[125]. И реакция движется к третьей клетке. Один вибрирующий, мыслящий нейрон “переговаривается” с другим. Два их напева сливаются в единую мелодию, как детская песенка: электричество, химия, электричество, химия, электричество.
Важнейшая особенность этой формы коммуникации заключается в том, что синапс может не только вызывать возбуждение нейрона, как в описанном выше примере, но и оказывать ингибирующее действие, в результате чего вероятность возбуждения следующего нейрона снижается. Таким образом, конкретный нейрон может получать от соседних нейронов как положительные, так и отрицательные импульсы. И его задача заключается в “интеграции” этих импульсов. Именно интеграция всех возбуждающих и ингибирующих сигналов определяет, возбуждается нейрон или нет.
Я бегло обрисовал основной механизм действия нейрона и связь его функции со строением мозга. Но это очень грубый набросок. Вероятно, нейрон – самая тонкая и удивительная клетка среди всех клеток тела. В целом его следует сравнивать не с пассивной проволокой, а с активным интегратором[126]. И если представить себе все нейроны в виде активных интеграторов, можно понять, насколько сложные сети составляются из этих элементов. Вы можете догадаться, что эти сложные сети являются основой для построения еще более сложных вычислительных модулей, способных поддерживать память, чувства, ощущения, мышление и эмоции19. Набор таких вычислительных модулей объединяется в самый сложный аппарат человеческого тела. Этот аппарат – человеческий мозг.
“Если проект… имеет гламурный окрас, а его участники – лауреаты премий, получающие крупные гранты, держитесь подальше от этого проекта”, – советовал биолог Эдвард Осборн Уилсон20. Для клеточных биологов, изучающих мозг, нейрон был всегда настолько привлекательным – таким загадочным, таким бесконечно сложным, таким функционально многообразным и невероятно блистательным по форме, что полностью затмевал соседнюю клетку, постоянно находящуюся рядом с ним. Глиальная клетка подобна ассистенту кинозвезды, постоянно существующему в тени знаменитости. Даже ее название, происходящее от греческого слова, обозначающего “клей”, напоминает о столетнем отсутствии внимания: глиальные клетки считались всего лишь клеем, соединяющим нейроны[127]. Только несколько упрямых нейробиологов занимались изучением этих клеток с тех пор, как в начале 1900-х годов Кахаль описал их в срезах мозга. Остальные считали их малозначимыми – не действующим элементом мозга, а наполнителем.
Глиальные клетки присутствуют в нервной системе повсеместно – их примерно столько же, сколько нейронов21. Когда-то считали, что их в десять раз больше, что поддерживало гипотезу об их роли в качестве “наполнителя” мозга. В отличие от нейронов, они не создают электрические импульсы, но, как и нейроны, чрезвычайно разнообразны по структуре и функции22. У одних глиальных клеток есть богатые жирами разветвленные отростки, которыми они окружают нейроны, образуя так называемую миелиновую оболочку. Миелиновая оболочка служит нейронам изолятором, вроде изоленты для проводов. Другие странствуют и выполняют функцию мусорщиков, удаляя из мозга клеточные обломки и мертвые клетки. А третьи поставляют в мозг питательные вещества или убирают из синапсов медиаторы, чтобы сбросить их до “настроек по умолчанию”.
Выход глиальных клеток из тени в центр нейробиологической сцены отражает удивительное изменение в развитии клеточной биологии нервной системы. Несколько лет назад я отправился в Гарвард, чтобы посетить лабораторию Бет Стивенс, которая изучает клетки нейроглии уже более десяти лет. Подобно многим нейробиологам, Стивенс пришла в это направление через изучение нейронов. В 2004 году после защиты диссертации она начала работать в Стэнфордском университете, где изучала нейронные сети глаза.
Нервные связи между глазами и мозгом формируются у человека задолго до рождения23, и это позволяет ребенку видеть мир сразу при появлении на свет. Задолго до того, как открываются глаза, еще на ранних этапах развития зрительной системы, от сетчатки к мозгу пробегают волны спонтанной активности, как танцоры, репетирующие движения до начала представления. Эти волны определяют конфигурацию проводной сети мозга: создают будущие сети, усиливают и ослабляют связи между нейронами. (Нейробиолог Карла Шац, обнаружившая эти волны спонтанной активности, писала: “Клетки, которые вместе возбуждаются, вместе и сплетаются”24.) Эта “репетиция” в зародыше (спайка нейронов до начала функционирования глаз) играет важнейшую роль для работы зрительной системы. Мы представляем себе мир до того, как видим его в реальности.
На этом подготовительном этапе создается избыток синапсов (точек химической связи) между нервными клетками – только для того, чтобы исчезнуть на более поздних этапах. Для создания синапса у нейрона есть специализированные структуры на конце аксона, похожие на крохотные наросты; там хранятся химические вещества, с помощью которых передается сигнал соседнему нейрону. Считается, что синаптический прунинг (“обрезка” избыточных синапсов) заключается в удалении этих специализированных структур, приводящем к разрушению синаптической связи, что равноценно удалению или разрезанию паяного соединения между двумя проводами. Это очень странное явление: наш мозг создает избыток контактов, а затем его ликвидирует.
Причина разрушения синапсов остается загадкой, но считается, что это нужно для уточнения и усиления “правильных” синапсов и удаления слабых и ненужных. “Это подкрепляет давнее интуитивное представление, – рассказывал мне психиатр из Бостона25. – Секрет обучения заключается в систематическом удалении избытка. Мы растем главным образом за счет отмирания”. Мы устроены таким образом, чтобы не быть устроенными никаким конкретным образом, и эта анатомическая пластичность, вероятно, является ключом к пониманию пластичности нашего разума.
Но как осуществляется синаптический прунинг? Зимой 2004 года Бет Стивенс пришла в лабораторию нейробиолога Бена Барреса в Стэнфорде. “Когда я начала работать в лаборатории Бена, об удалении специфических синапсов было известно мало”, – рассказывала она мне. Стивенс и Баррес сосредоточили внимание на зрительных нейронах: глаз стал окном в мозг.
В 2007 году они объявили об удивительном открытии26. Они обнаружили, что за прунинг синаптических связей в зрительной системе отвечают глиальные клетки. Их статья, опубликованная в журнале Cell, вызвала огромный интерес, но также подняла волну новых вопросов.
Какие именно клетки нейроглии отвечают за прунинг? Каков механизм этого процесса? В следующем году Стивенс перешла на работу в детский госпиталь Бостона, где организовала собственную лабораторию. Когда я посетил ее морозным мартовским утром 2015 года, работа в лаборатории шла полным ходом. Студенты работали за микроскопами. Одна женщина сидела за лабораторным столом, сосредоточенно дробя фрагмент только что взятой биопсии человеческого мозга, чтобы получить отдельные клетки и вырастить их в питательной среде.
Стивенс удивительно подвижна: когда она говорит, ее руки и пальцы описывают круги, словно обрисовывая ^сформированные синапсы. “Вопросы, которые мы начали изучать в новой лаборатории, непосредственно следовали из тех вопросов, которыми мы занимались в Стэнфорде”, – рассказывала она27.
К 2012 году Стивенс и ее студенты создали экспериментальную модель для изучения синаптического прунинга и идентифицировали клетки, ответственные за это явление. Было известно, что специализированные клетки так называемой микроглии (паукообразные, со многими пальцевидными отростками) скапливаются в мозге, подбирая клеточные обломки, и их роль в удалении патогенов и клеточного мусора была открыта уже несколько десятилетий назад. Стивенс обнаружила, что они также скапливаются вокруг синапсов, которые должны быть уничтожены. Клетки микроглии просачиваются в синаптическую щель между нейронами и разделяют их. Они служат “вечными смотрителями” мозга, как было сказано в одной статье28.
Пожалуй, самой поразительной особенностью синаптического прунинга является то, что для удаления связей между нейронами используется иммунный механизм. Макрофаги иммунной системы поглощают (осуществляют фагоцитоз) патогены и обломки клеток. Клетки микроглии мозга используют аналогичные белки и процессы для маркировки подлежащих уничтожению синапсов, с той разницей, что они поглощают не патогенные организмы, а фрагменты нейронов, вовлеченные в синаптическую передачу. Это еще один удивительный пример перепрофилирования: те же белки и процессы, что используются для удаления патогенов из тела, здесь приспособлены для тонкой настройки связей между нейронами. В ходе эволюции микроглия научилась “поедать” фрагменты собственного мозга.