Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Но самое главное то, что архитектура компьютера и его микросхем жестко задана заранее. Она не умеет приспосабливаться. В мозге же происходит именно это, и таков важнейший функциональный принцип. Деятельность мозга всегда сопряжена с изменениями его микроструктуры. Сеть связей, которую образуют нейроны, находится в постоянном течении. Нельзя сказать, что может фундаментально изменяться базовая структура мозга, но чем подробнее ее рассматриваешь, тем больше понимаешь, насколько изменчивы связи в ней.

Микроархитектура компьютеров, напротив, не изменяется в результате обучения. В ней нет пластичности. Подобного взаимодействия структуры и формы не происходит. Электрическая схема, в отличие от мозга, не подстраивается под потребности в зависимости от деятельности или ее отсутствия.

Из-за этой фундаментальной разницы компьютер не годится в качестве модели мозга. Невзирая на всю свою мощь, он (как и компьютерные программы) до смешного несовершенен, что постоянно вызывает у нас раздражение; но отсюда все по той же причине не следует делать вывод, что эти ограничения свойственны и мозгу. У мозга свои рамки, опять же часто незнакомые компьютеру. Даже деменция – это не сбой процессора. При болезни и нейродегенеративных заболеваниях по-прежнему сохраняется пластичность. У млекопитающих ее полное отсутствие несовместимо с жизнью. Через аналогию с компьютером множество вопросов о мозге не поддаются объяснению, просто потому, что картина искажена. А новые нервные клетки в нее вообще никак не вписываются. Добрая часть скепсиса, который вызвало понятие нейрогенеза взрослых, связана с тем, что оно не сочетается с определенными представлениями о принципе действия мозга (причем неверными).

Пластичность

В биомедицине «пластичность» – довольно сложное, неоднозначное понятие, поскольку в отдельных научных дисциплинах оно используется совершенно по-разному. Это быстро вызывает путаницу. Данный термин уже несколько раз встречался в нашей книге, и я всегда подчеркивал его многогранность. Но уже давно пора подробнее рассмотреть эту центральную тему.

Здесь (как и во многих областях нейронауки) под пластичностью мы понимаем двустороннее взаимодействие структуры и функции. Итак: функция определяется структурой (как автомобиль, который функциональными свойствами обязан своей конструкции), а структура следует за функцией. Второго, к сожалению, с автомобилем не происходит: если посильнее разогнаться на «трабанте», он сам собой не превратится в «феррари», чтобы лучше справиться с поставленной перед ним задачей. Таким образом, пластичность представляет собой «итеративный процесс»: сигналы обратной связи чередуются с эпизодами приспособления, благодаря чему возможна оптимизация.

«Форма определяется функцией»: эта идея пришла из архитектуры. Американский «отец небоскребов» Луис Салливан, опираясь на более ранние концепции, развивает ее в статье «Высокое офисное здание как произведение искусства» (The tall office building artistically considered) 1896 года (см. рис. 14 на вклейке): «Орел парит в небесах, цветет яблоня, ломовая лошадь тащит груз, скользит по воде лебедь, ветвится дуб, у его подножья вьется ручей, плывут облака, надо всем этим сияет солнце – форма всегда следует за функцией, и это закон. Когда функция неизменна, неизменна и форма». Последнее предложение – решающее, оно указывает на причинно-следственную связь и на возможность преобразований. Автор продолжает: «Этот закон действует везде: для всего органического и неорганического, всего физического и метафизического, всего человеческого и сверхчеловеческого, всех истинных проявлений ума, сердца, души – жизнь всегда можно узнать по ее выражению, форма всегда следует за функцией». Примечательно, что эта вторая часть цитаты принадлежит перу человека, проектировавшего небоскребы. Мы снова видим связь между архитектурой и нейронаукой, но теперь с другим знаком. Это еще не пластичность, но мысль, которая точно отражает ее центральный принцип. Кстати, эта фундаментальная зависимость также лежит в основе идей Баухауса с его эстетикой функционализма.

Помимо этого, у пластичности есть еще одно важное свойство. Она – явление органическое, и ее сущность подразумевает также, что хотя форма следует за функцией, но затем и функция, в свою очередь, следует за формой и так далее. Такое обоюдное взаимодействие – отличительная черта всего живого.

«Пластичность» буквально означает способность принимать разные формы, но это на самом деле почти ни о чем не говорит. Необходимо различать пластичность и эластичность. Эластическая деформация подразумевает возврат к старой форме, пластическая же сохраняется. «Пластика», которую запечатлевает скульптор, довольно-таки устойчива. Скульптуры пробуждаются к жизни только в мифах (и на картине Жана Леона Жерома «Пигмалион и Галатея»). Это замечательный образ.

Пластичность также во многом связана с гибкостью, что не позволяет нам слишком далеко зайти в сравнениях с неодушевленной скульптурной пластикой. Речь идет скорее о непрекращающемся процессе, а не о произведении, которое однажды будет завершено.

Наконец, пластичность – это еще и активный процесс, а не пассивное переживание, каким она часто предстает, когда ее пытаются проиллюстрировать. Пластичность мозга – это не просто одно из его свойств, а основное условие его функционирования. Принцип действия этого органа подразумевает, что в процессе работы он меняется. На протяжении всей жизни мозг подстраивается под задачи, которые стоят перед ним, и, в отличие от компьютера, все время становится лучше. Компьютеры приходится менять каждые пару лет, потому что они отстают от развития окружающего мира и не умеют к нему приспосабливаться.

С другой стороны, пластичность – это еще и модное словечко, которое вставляют к месту и не к месту, когда пытаются объяснить умение приспосабливаться любого рода или привнести биологическую ноту в обсуждение вопросов педагогики или «успешного старения». Использовать пластичность как объяснение для чего бы то ни было можно лишь в том случае, если вы хорошо понимаете, что такое она сама. Это понятие оказывается слишком широким даже в своем более узком нейробиологическом значении, чтобы использовать его как средство глубже разобраться в чем-то. Оно отсылает нас к некоему фундаментальному принципу, не более. Кроме того, не всем еще известно, что принцип этот фундаментальный.

Пластичность необходима для всех функций мозга, которые хотя бы отдаленно можно назвать обучением, а это очень многие из них (но не все). Она обеспечивает изменчивость на уровне микроструктуры мозга, лежащую в основе каждой такой функции. Учиться значит меняться. Любой – абсолютно любой – опыт оставляет в структуре мозга след. Изменение может быть кратковременным или сохраниться на всю оставшуюся жизнь. Запоминание состоит не в отдельных пластических изменениях, а в том, что благодаря пластичности меняются свойства сетей, образованных миллиардами нервных клеток.

Илл. 14. Пробуждающаяся к жизни скульптура на полотне «Пигмалион и Галатея» (художника Жана Леона Жерома) наглядно и очень ярко иллюстрирует понятие пластичности мозга. Здесь показано активное взаимодействие между функцией и структурой. Метрополитен-музей, репродукция

Нейрогенез взрослых – частный случай пластичности мозга, поскольку здесь возникают целые новые нейроны. В других случаях пластичность проявляется в основном на уровне контактов между нервными клетками, через которые те «общаются» друг с другом (синапсы), и напоминающих антенны отростков нейронов, по которым те принимают сигнал (дендриты) или передают его (аксоны). Синапсы очень изменчивы, они постоянно образуются и рассоединяются. Очень велика пластичность нервных отростков в мельчайших разветвлениях; чем ближе мы к ядру нервной клетки, тем положение более стабильно. Как правило, ядро служит точкой опоры (см. рис. 15 на вклейке).

Только не при нейрогенезе взрослых. В этом случае новым будет все: вся нервная клетка, ее тело, отростки и синапсы. Это требует несравненно бóльших затрат, и они должны быть чем-то оправданы. Важный вопрос – чем. Для каких связанных с обучением задач необходима абсолютная пластичность на уровне отростков нервных клеток или синапсов? Ведь мы уже видели, что нейрогенез взрослых у человека встречается практически в одном-единственном месте, которое находится как раз в гиппокампе, а это врата памяти. Эта структура в мозге имеет центральное значение для «высших» функций, включая те, которые мы считаем сугубо человеческими.

Если понимать мозг как сеть, то нейроны – это ее узлы, связи между которыми образуют их отростки с синапсами. Очевидно, когда меняются узлы, связи между ними или и то и другое одновременно, это по-разному отражается на сети. Однако во всех участках мозга представляется возможным добавлять только вторые, но не первые. Ракич и другие ученые утверждали, что это принципиальное условие, поскольку новые узлы скорее ослабят, чем усилят сеть. В ту пору, когда в существовании нейрогенеза взрослых еще сомневались, его пытались опровергнуть на принципиальных основаниях. Это не получилось. Сегодня мы знаем, что и теоретически тоже существуют и могут существовать нейронные сети, которые способны не только пережить появление новых узлов, но и извлечь из него пользу и которые сами стремятся к этому. Новые узлы означают также новые связи; таким образом, речь идет об особой, в определенном смысле высшей форме пластичности.

По крайней мере, так это выглядит. Как все на самом деле, понять очень трудно. Для этого нужно научиться «отдельно» измерять пластичность и найти какое-то числовое выражение этой удивительной способности к изменению формы, чтобы проводить сравнения. Сделать это с новыми нервными клетками становится все проще, и постепенно выясняется, что мы можем считать гипотезу верной. Но по-настоящему доказать ее – все еще очень сложная задача.

С другой стороны, стороннему наблюдателю пластичность не бросается в глаза. Со времен Античности и до Нового времени тело представляли как некий сосуд, который содержит нематериальную жизненную энергию или душу. Это подразумевает некий дуализм. Дуализм – поскольку мы строго разделяли телесное и духовное. Подразумевает – поскольку это казалось настолько само собой разумеющимся, что едва ли когда-нибудь находились монистические рассуждения, которые можно было бы ему противопоставить. Проблема души и тела стара, как сама философия.

Конечно, понятие пластичности не решает проблему души и тела. Наоборот, можно показать, что оно вносит дополнительные сложности. В то же время с простым дуалистическим восприятием оно несовместимо.

Когда мы говорили, что пластичность – это обязательное условие любой мозговой функции, мы на самом деле были неправы. Пластичность – это основа любого обучения. Мозг же осуществляет множество важнейших фундаментальных функций, с обучением никак не связанных. Например, центральное управление дыханием имеет довольно жесткую структуру, и в дыхательном центре в стволе головного мозга нет места для способности к обучению и пластичности. Как правило, самые базовые функции наименее пластичны. Это верно и для целых организмов. Муравьи с их крошечным мозгом получили жесткие программы навигации, благодаря которым они способны после поисков добычи по сложнейшей траектории вернуться к муравейнику по прямой. Это очень сложно устроено (пустынные муравьи для ориентации используют совершенно невидимый для нас поляризационный узор на небе, а расстояния измеряют с помощью некоего встроенного шагомера), но никакой пластичности здесь нет. Муравья легко сбить с толку, если усложнить задачу для его «инструментов». Рудигер Венер из Цюрихского университета подробно исследовал это, поставив множество классических экспериментов. Способность маленького мозга к обучению очень ограниченна. Пластичность нарастает с уровнем его развития (см. рис. 16 на вклейке).

Как развивается мозг

Пластичность очень тесно связана с развитием. Слово «развитие» содержит в себе прекрасный образ. В нем есть что-то очень жизненное. Хотя о моделях автомобилей мы тоже говорим, что они развиваются, это совершенно не то же самое, что развитие человека, и совсем не тот процесс, который, например, мы имеем в виду, упоминая раннее развитие ребенка. Разница заключается в том, что живое существо в этом процессе проявляет внутренне присущую ему силу самоорганизации и самообразования, которая отсутствует в «природе» технических устройств. Здесь развивается потенциал, который некоторым образом уже заложен, но для реализации которого еще нужен сложный, во многом саморегулируемый процесс. Это всегда завораживало человека: так в Библии часто встречается образ жизни, с немыслимой силой пробивающейся из крошечного семечка. Когда были записаны библейские тексты, никто еще не знал, что люди тоже выходят из «семечка», что все развитие начинается с оплодотворенной яйцеклетки. Это прастволовая клетка каждого живого организма.

Компьютер же, помимо того что ему не свойственна пластичность, не развивается из маленького оплодотворенного прачипа. Компьютеры сразу делают такими, какими они должны быть. У живых существ пластичность и развитие тесно взаимосвязаны. В какой-то мере пластичность – это продолжение развития, когда организм, можно сказать, перерос его или даже просто вообще вырос. Здесь много общих или, по крайней мере, похожих процессов и механизмов, поэтому, изучая процессы развития, можно попытаться разобраться в принципах регенерации и пластичности, что мы и делаем в Центре регенеративной терапии в Дрездене (CRTD).

Откуда берутся новые нервные клетки?

Когда Альтман заявил, что в мозге обнаружены новые нервные клетки, трудно было однозначно сказать не только что они новые, но и что они нервные. Однако помимо этого и в первую очередь из его первых сообщений встал следующий открытый вопрос: даже если новые нейроны есть, то откуда они берутся? De nihilo nil («ничто не возникает из ничего») – биологи тоже, безусловно, расписываются под этим принципом.

Чтобы разобраться в нейрогенезе взрослых, нужно знать, что такое стволовые клетки, поэтому скепсис, который в первые годы вызывало это явление, вполне оправдан. Без информации о стволовых клетках построить убедительную картину не получалось.

Нейроны больше не делятся, это «постмитотические» клетки, они имеют окончательную форму. Это верно и сегодня. При болезни Альцгеймера встречается загадочное явление, когда в ходе заболевания нервные клетки вступают в процесс клеточного деления. Но они гибнут, поскольку не могут полноценно пройти его. Встроенные защитные механизмы скорее вызовут смерть этих клеток, чем допустят, чтобы они по-настоящему делились. По крайней мере, так это объясняют, окончательного доказательства пока что нет.

Никто еще не видел, чтобы нейроны успешно делились. Как мы уже говорили, Альтман это понимал, поэтому, чтобы предупредить очевидно напрашивающийся вопрос «откуда», постулировал, что существует «некий вид клеток-предшественниц», из которых могли бы образоваться новые нервные клетки. Что он имел в виду?