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

Птицы

Когда после крыс, на которых Альтман проводил свои первые опыты, стали рассматривать другие виды животных, картина усложнилась. Уже птицы Ноттебома, а тем более последующие исследования на рыбах и многих других позвоночных совершенно ясно показали, что в животном мире в нейрогенезе взрослых нет ничего необычного. Особенным в сообщениях Ноттебома был не тот факт, что обнаружили нейрогенез взрослых – в птичьем мозгу он встречается буквально повсюду. Гораздо важнее была особая связь с обучением пению, о которой мы узнали в начале этой книги.

Насколько распространен нейрогенез взрослых, Ноттебом сначала своими работами не установил, это выяснилось лишь с течением времени. Как бы то ни было, в конце концов мы узнали, что для мозга птиц это совершенно нормальное явление. Что касается нейрогенеза в области мозга, которая отвечает за обучение пению, здесь тоже обнаружилось нечто неожиданное: зебровые амадины, которые учатся петь лишь один раз, а не ежегодно, точно так же демонстрируют нейрогенез взрослых в соответствующих областях, но уже без всякой красивой связи с обучением и забыванием. Что это – данные, которые портят картину, или любопытная хорошая новость? Интереснее ли рассматривать нейрогенез взрослых как исключительное свойство или как повсеместное явление?

Канарейки вызвали к себе такой интерес, потому что казалось, что они используют новые нервные клетки для обучения; но другие певчие птицы этого не делают, хотя демонстрируют нейрогенез взрослых в том же объеме. В остальном у птиц его также удалось подтвердить в той зоне мозга, которая более-менее соответствует гиппокампу млекопитающих. У черношапочных гаичек Ноттебом нашел признаки того, что это явление связано с запоминанием и вспоминанием многочисленных мест, где птица делала запасы на зиму. Конечно, она не запоминает все эти места, или, по крайней мере, не может вспомнить их все до единого. На самом деле птицам и приходится делать так много запасов, потому что у них не идеальная память. Очевидно, механизм, который повышает эффективность в этом деле, дает им преимущество. Знание – сила.

К сожалению, эти данные, которые сегодня прекрасно соотносятся с результатами, позже полученными на мышах, так и остались под большим вопросом. Их не удалось подтвердить на других видах птиц. Птичий гиппокамп, если его можно так назвать, имеет значительно менее отчетливую структуру, чем у млекопитающих, и гораздо хуже изучен. Какие клетки каким образом встраиваются здесь в какие сети, неясно. Здесь все выглядит просто совершенно иначе, чем у мышей, и потребовалось бы большое количество специализированных исследований, чтобы должным образом упорядочить все данные.

Описанные работы не вызвали того энтузиазма, которого, вероятно, ожидал Ноттебом. Вообще-то, эти данные – венец его истории с нейрогенезом, потому что они устанавливают прямую связь с млекопитающими и тем самым, предположительно, с человеком. У нас тоже есть гиппокамп, а зоны для сезонного обучения песням нет. Но факт остается фактом: Фернандо Ноттебома научная общественность до сего дня знает в первую очередь благодаря его революционным работам по нейрогенезу у канареек, которые вместе с тем воспринимают как несколько экзотичные и забавные. Это не совсем справедливо, и вполне естественно, что ученый чувствует себя непонятым.

В то же время его исследования на канарейках, помимо их общепризнанного особого положения, дали большой толчок науке. За первым описанием последовала длинная череда очень обширных работ, где данное явление освещалось со всех сторон, какие только можно вообразить, в таких подробностях и с такой глубиной, которых в исследованиях нейрогенеза взрослых в гиппокампе млекопитающих удалось достичь лишь два десятка лет спустя.

Возьмем, например, функцию человеческого полового гормона – тестостерона. Нейрогенез взрослых при заучивании песен встречается только у самцов канарейки, поскольку самки не поют. На самом деле тестостерон также играет важную роль в управлении нейрогенезом взрослых в песенном центре. Он занимает центральное место в процессах, запускающих события, которые разворачиваются весной. В конечном счете пение канареек – это вид ухаживания, что логично, поскольку оно звучит одновременно с пробуждением других регулируемых гормонами весенних симптомов. Конечно, односторонняя связь между пением самцов-канареек и ухаживанием говорит нам, что наблюдения за птицами, пожалуй, все же довольно далеки от вопросов, которые имеют значение для млекопитающих, и в первую очередь для человека.

В 90-е годы история с птичьим тестостероном вызвала некоторый протест. Так, Элизабет Гульд в целой серии ранних работ по нейрогенезу взрослых исследовала роль эстрогена и других женских половых гормонов. На самом деле, эстроген очень важен для пластичности мозга, также было выявлено некоторое его влияние на нейрогенез взрослых. Правда, влияние очень небольшое, а главное, на сегодня ничто не говорит о значимых половых различиях в этом процессе ни в гиппокампе, ни в обонятельной луковице. Несомненно, некоторые исследовательницы и рады были бы доказать, что женский мозг превосходит мужской по гибкости и приспособляемости, но все же течение нейрогенеза не зависит от пола; вероятно, тестостерон для него нужен в той же мере, что и эстроген. В принципе, ничего другого и не следовало ожидать, когда речь идет о таком фундаментально важном для высших функций обучения процессе.

Мастера нейрогенеза: данио-рерио

Если после исследований на птицах ученые уже предполагали, что нейрогенез взрослых для многих животных не представляет собой ничего особенного, то позже это предположение весьма впечатляющим образом подтвердилось на рыбах. То, что начиналось как отдельные любопытные научные статьи, внезапно стало вызывать гораздо больший интерес, когда нейрогенез взрослых описали у рыб данио-рерио.

В целом рыбы – излюбленный объект изучения в классической нейроанатомии. Многие исторические работы, например, были выполнены на лососе и форели. Возможно, определенную роль здесь сыграли приятные побочные эффекты кулинарного толка, которые дает разведение форели на территории института.

К тому моменту, как появились работы по нейрогенезу у данио-рерио, образование новых нейронов в их мозге удивления уже не вызывало, но данные именно об этом виде оказались особенно полезными. Дело в том, что данио-рерио наряду с пивными дрожжами, круглыми червями (нематодами), дрозофилами, крысами и мышами относятся к привилегированным видам, с помощью которых биологи пытаются постичь тайну жизни. В зависимости от степени сложности, ученые в большой мере условились, какие исследования проводить на каком виде животных. Так проще обосновывать одни исследования другими и использовать единообразный набор методик, хотя в зависимости от вида что-то всегда меняется. Поэтому о принципах клеточной биохимии мы многое знаем из исследований на пивных дрожжах и на кишечной палочке. Основные положения генетики и молекулярной биологии сформулированы с помощью нематод и дрозофил. В случае сложных вопросов, которые требуют использования млекопитающих, опыты ставят на мышах. Кроме того, крысы всегда служили прекрасным объектом для исследований, связанных с биологией поведения.

Если угодно, в этом ряду данио-рерио находятся где-то между дрозофилами и мышами. В отличие от мушек они относятся к позвоночным, но не к млекопитающим, как мыши. Они наилучшим образом подходят для исследований по генетике и молекулярной биологии, а как минимум на ранних стадиях развития большое преимущество дает прозрачность их икринок, благодаря чему под микроскопом можно следить за развитием прямо через кожу.

Гиппокамп в узком смысле у рыб представлен не в большей степени, чем у птиц, но у них есть более простая структура, которая отвечает за некоторые функции, гиппокампальные у млекопитающих. Как бы то ни было, у рыб есть стенка мозгового желудочка. Именно здесь у человека, как и у мыши, находятся клетки-предшественницы, используемые при нейрогенезе. Но интересно, что у рыб эта стенка расположена не внутри, в глубине мозговой ткани, а на поверхности. В этом смысле строение рыбьего мозга вывернуто наизнанку. На первый взгляд это несколько сбивает с толку, но под этой странной оболочкой можно обнаружить массу общих черт. Очень многое, хотя и далеко не все, так сказать, «законсервировано в эволюции», иными словами, некоторые вещи у различных видов животных оказываются одинаковыми или же представлены в вариантах, между которыми легко проследить связь. При этом, как правило, сложность растет от рыб к грызунам, далее к приматам и к человеку. Так что иногда в очень антропоцентричном духе говорят о делении животных на «низших», более простых, и «высших», сложных. Более деликатные ученые стараются избегать таких выражений, но именно благодаря своей оценочности они очень наглядны. Если угодно, данио-рерио – это простейшая модель высших животных. Еще раз: если угодно.

После того как свои первые работы выпустил ихтиолог Гюнтер Цупанк, который тогда работал в Тюбингене, а позже в Бремене, мой коллега, нейробиолог из Дрездена Михаэль Бранд, со своими сотрудниками подробно картировал нейрогенез взрослых у данио-рерио. Они определили в мозге взрослой рыбы в общей сложности 16 зон, где на протяжении всей жизни образуются новые нейроны. В их число входит обонятельный мозг и та зона, которую при желании можно считать аналогом гиппокампа у млекопитающих. Впрочем, у животных в ней нет зубчатой извилины, так что нейрогенез взрослых все равно выглядит иначе.

Таким образом, рыбы, как и птицы, – настоящие мастера нейрогенеза. При этом их гораздо проще содержать и изучать. К тому же накопился значительный методический арсенал. Генетическая характеристика продвинулась настолько, что сегодня пройти мимо данио-рерио уже нельзя. То, что нейрогенез взрослых у рыб так ярко выражен, конечно, смущает. Разве это не благоприятное свойство? Если да, почему тогда у «высших» животных оно распространено скорее менее, чем более?

У данио-рерио нейрогенез взрослых несет регенеративную функцию, то есть составляет часть восстановительных процессов при повреждениях. У нас эта способность на самом деле утрачена. У мышей и человека данный процесс принципиально ограничен явлениями, связанными с пластичностью, и если обеспечивает регенерацию, то очень скудную. К возможным исключениям мы еще вернемся.

Итак, у данио-рерио можно было бы подсмотреть кое-что в плане регенерации. В этом и состоит цель работы, которую ведет Михаэль Бранд со своей группой в Дрездене. Можно ли разбудить и у человека этот предположительно забытый регенеративный потенциал и использовать его в медицине?

Восстановительный нейрогенез

В любом случае очень интересен вопрос, не может ли и у млекопитающих в экстремальной ситуации нейрогенез взрослых протекать более активно, чем в обычных условиях. Можно ли в соответствующих обстоятельствах активировать в клетках-предшественницах из стенок желудочков или из ткани, или даже в клетках NG2 потенциал нейрогенеза, который в противном случае остается скрытым? Может быть, все это лишь вопрос «дозволенности»? Иными словами, могли бы клетки делать это, если бы им кто-то дал?

На самом деле, из отдельных статей можно заключить, что нечто подобное возможно. Больше всего подтверждений получил восстановительный нейрогенез после инсульта в полосатом теле у крыс. Впрочем, речь здесь шла о столь малом количестве клеток, что трудно представить себе, как они могли бы способствовать регенерации всего поврежденного участка. И все же поражает сходство с процессами, которые в большом объеме можно наблюдать в мозге данио-рерио.

Может быть, это действительно эволюционные следы способности, которая в остальном в значительной мере утрачена. Может быть, это и правда тот материал, из которого строятся футуристические мечты медицинского толка. В любом случае здесь природа демонстрирует то, о чем грезят визионеры регенеративной медицины: она заменяет погибшие нейроны. Но не стоит воображать, что в реальности кому-нибудь удастся вырастить целый спинной мозг. Такое умеют только аксолотли, вид земноводных. Моя коллега Элли Танака изучает этот удивительный процесс, в ходе которого у них полностью воспроизводится развитие хвоста, а при необходимости и больше.

Общий вывод таков: изучая восстановительный нейрогенез у аксолотлей (см. рис. 21 на вклейке) и рыб, мы получаем очень много информации, и нельзя полностью исключить, что отсюда вырастут весьма конкретные терапевтические возможности. Но до этого пока очень далеко. Еще более нереалистично рассчитывать на то, что удастся полностью восстанавливать, например, чрезвычайно сложные соединения в новой коре головного мозга с ее гигантским количеством разнообразных клеточных типов и связей, особенно при обширных повреждениях.

Кроме того, конечно, часто бывает, особенно в коре головного мозга, что при разрушении нервных клеток также теряется функция, которую они выполняют в процессах обучения и запоминания. Новые нейроны пришлось бы обучать заново. Невозможно восстановить содержимое из некой резервной копии. Повторное обучение по-прежнему оставалось бы задачей нейрореабилитации. Это было бы испытанием пластичности регенерировавших нейронов. Функция не вернулась бы сама по себе, просто потому, что появились новые клетки. Их долгосрочная интеграция опять же зависела бы от того, насколько они пригодны к использованию в своих сетях; но что, если окажется, что и этих сетей больше нет, что они тоже должны регенерировать? Как быть с опытом, который воспроизвести невозможно? Важен ли порядок переживаний? Какое значение имеет время?

На данный момент неясно, распространяются ли вышеописанные примеры восстановительного нейрогенеза в животном мире только на жестко заданные, генетически предопределенные соединения (что было бы весьма загадочно и очень сложно объяснить), или также на пластичные связи, каковые демонстрируют «высшие» области мозга.

Все это несколько охлаждает восторги по поводу восстановительного нейрогенеза, но не нужно думать, что исследования на данную тему – чистая утопия, что они не имеют смысла. Они представляют большой научный интерес и важны для медицины, потому что полученные знания способствуют общему пониманию того, как вообще наш мозг обращается с повреждениями и как можно было бы содействовать регенерации. Для мозга, который в остальном регенерирует так плохо, мало – это лучше, чем ничего.

В целом также было бы очень полезно индуцировать нейрогенез там, где в естественных условиях его нет. Так, исследовательница стволовых клеток из Мюнхена Магдалена Гётц, автор многочисленных работ по субвентрикулярной зоне, занимается вопросом, можно ли прямо в мозге перепрограммировать глиальные клетки таким образом, чтобы из них получились новые нейроны. Это даже удается сделать, но встает множество новых вопросов. Нельзя сказать, что до клинического применения рукой подать. Эти исследования скорее имеют исключительное значение для фундаментальной науки. Они многое говорят нам о природе стволовых клеток и о том, как должно быть организовано содержимое клетки, чтобы нейрогенез взрослых стал возможен. Конечно, это также важно для физиологического нейрогенеза взрослых.

7

Новые нейроны для подвижного мозга

Серендипити