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

Откуда взялся противоречащий «правилу 10 %» миф о том, что мы всю жизнь теряем нервные клетки мозга, тоже вполне очевидно. У нас действительно никогда не будет столько нервных клеток, сколько было в детстве. Ведь они формируются в избытке, и подобно тому, как скульптор высекает из куска мрамора Венеру, рожденную из морской пены, так и структура мозга освобождается от всего лишнего в зависимости от опыта (или его отсутствия). Все, что не используется, исчезает. Это также оправданно с энергетической точки зрения, поскольку нервные клетки расходуют чрезвычайно много энергии. А ее всем животным всегда не хватает. Мозг – вещь полезная, но затратная, поскольку очень энергоемкая.

Оказалось, что иметь максимально компактный мозг выгодно. Но его «оптимизация» не продолжается бесконечно по окончании детского и юношеского возраста. После полового созревания состояние стабилизируется. С годами нервные клетки действительно гибнут, но в очень разных количествах, и нет простой связи между числом нервных клеток и их деятельностью или производительностью. Во многих зонах мозга число нейронов колеблется от человека к человеку сильнее, чем у одного человека в течение среднего срока жизни. Однако действует все тот же принцип: то, что не используется, не хранится. Как несложно догадаться, это все же совершенно иная ситуация, чем когда гибнут клетки, исполняющие важную функцию. По-видимому, нервных клеток в мозге ровно столько, сколько требуется для ее исполнения. То, что не находит постоянного применения, ликвидируют. То, что было (как и то, чего не было), формирует будущее. Утраченные возможности вернуть невозможно.

При деменции, напротив, гибель нервных клеток приобретает по-настоящему широкий размах. Но это патологическое состояние, а не просто усугубление или ускорение физиологического процесса. И даже в этом случае оценить масштабы происходящего непросто, ситуация очень запутанная и может быть разной. Датский нейроанатом Марк Вест с помощью очень сложного и точного метода определял количество нейронов в мозге. На рис. 2 (см. вклейку) показаны количества клеток в гиппокампе – этот отдел очень важен для обучения и памяти, поэтому деменция поражает его уже на ранних стадиях и с большой силой. Как видно, изменения количества клеток с возрастом незначительны по сравнению с различиями между отдельными людьми. Выделяются на общем фоне только те, кто страдает болезнью Альцгеймера. В остальном по количеству нейронов в отсутствие деменции невозможно узнать возраст человека, чей мозг мы исследуем^{4}.

Нейродегенеративные заболевания в некоторой степени действительно обусловлены гибелью нервных клеток. Данные, представленные Марком Вестом, в том числе говорят об этом. То же относится и к болезни Паркинсона. При этом заболевании в первую очередь начинают гибнуть нейроны в особом, небольшом и четко ограниченном отделе мозга, который называется Substantia nigra, или «черная субстанция», и гибель этих клеток несет за собой сложные последствия для мозговых функций. Угасают управляющие сигналы, необходимые для моторной и умственной деятельности. Однако нужно учитывать, что при болезни Паркинсона должно погибнуть около 80 % нервных клеток, прежде чем появятся первые симптомы заболевания. Очевидно, здесь также присутствуют мощные компенсаторные возможности или даже «резервы». Но это, кстати, не значит, что из нервных клеток черной субстанции мы используем всего 20 %!

Идея о том, что в условиях мозга взрослых тоже образуются новые нейроны, во многом так привлекательна, поскольку она противостоит пессимистичному и широко распространенному взгляду на мозг как на песочные часы. Пусть наши нервные клетки и правда постоянно гибнут. Но вдруг можно надеяться, что нейрогенез взрослых восполняет эти потери? К сожалению, у этой очень приятной мысли тоже есть все шансы превратиться в миф. Нейрогенез взрослых ограничен отдельными зонами мозга, а количество новых нервных клеток очень, очень мало. Да и на самом деле нет никаких признаков того, что у человека (в отличие от некоторых животных) это явление призвано обеспечить регенерацию изнутри. Нейрогенез взрослых не дает мозгу возможности регенерировать. Клетки кишечника замещаются в колоссальных количествах, но с нервными клетками все обстоит совершенно иначе. Оттого что открыли нейрогенез взрослых, множество неврологических и психиатрических заболеваний не перестают быть хроническими.

Но зачем же тогда нужны эти новые клетки? Может быть, раз их так мало, они вообще не играют существенной роли в функциональном, а значит, и медицинском плане? Или они все-таки дают основания для оптимизма, пусть и не в той области, на размышления о которой нас наводит миф? Ажиотаж вокруг открытия нейрогенеза взрослых частично связан с идей каким-то образом преобразовать потенциал новых нейронов и направить его на то, чтобы все же усилить способность мозга к регенерации. В свете современных знаний очевидно, что это невозможно, но и не совсем утопично, как может показаться (и мы об этом еще поговорим подробнее). Вот только с нейрогенезом, каким мы наблюдаем его в обычном мозге, эта утопия из мира биотехнологий связана очень слабо.

Однако вся эта история, как выясняется, достаточно фантастическая и без вторичных выгод такого рода. Все больше данных указывает на важнейшую роль нейрогенеза взрослых в нормальной деятельности нашего мозга. Это вовсе не средство регенерации, а скорее, и об этом говорят в том числе и птицы Ноттебома, часть фундаментального механизма, который лежит в основе наших способностей к обучению и запоминанию.

Джозеф Альтман открывает нейрогенез взрослых

Нейрогенез взрослых открыл не Фернандо Ноттебом, как можно было бы подумать из-за канареек, а Джозеф Альтман, психолог-исследователь из Массачусетского технологического института (MIT) в Бостоне. В 1965 году он совместно со своим студентом Гопалом Дасом опубликовал сенсационную статью, в которой ученые сообщали, что в мозге взрослых крыс образуются новые нервные клетки (см. рис. 3 на вклейке)^{5}. Это положило начало нашим знаниям о нейрогенезе взрослых в мозге млекопитающих. Данной статье предшествовало еще несколько работ Альтмана, в том числе работа 1962 года, опубликованная, ни много ни мало, в знаменитом научном журнале Science, где в конечном счете был просто задан прямой вопрос: существует ли нейрогенез взрослых? Тогда исследователь не смог ответить ничего более определенного, чем «возможно», хотя и это уже было немало^{6}. Вопрос прозвучал с олимпа науки, а ответ был дан в издании, хотя и пользующемся признанием, но все же очень скромном – Journal of Comparative Neurology. В 1963 году Альтман опубликовал еще одну статью, в которой он уже продемонстрировал новую нервную клетку, но особого внимания на это никто не обратил^{7}. Такая публикация «в рассрочку» была по-своему любопытным явлением, а в сегодняшней науке, проникнутой духом оптимизации, и вовсе едва представима.

Илл. 4. Джозеф Альтман родился в Венгрии, через Германию и Австралию уехал в США. Он открыл нейрогенез взрослых за двадцать лет до Фернандо Ноттебома

Изначально Альтман не интересовался образованием новых нейронов. Он искал метод, который позволил бы сделать видимыми проявления мозговой деятельности. Это примерно то же, что сегодня пытаются делать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – «наблюдать работу мысли», как выразился Михаэль Хагнер^{8}.

Для этого Альтман использовал аминокислоту лейцин, меченную радиоактивным изотопом. Нейрон в процессе активного метаболизма[5] встраивает это вещество в различные белки. Таким образом, возбужденная нервная клетка, если перед этим она получила меченый лейцин, впоследствии будет излучать измеримый радиоактивный сигнал. Если нанести на препарат с такими клетками слой фотоэмульсии, она почернеет под воздействием излучения. Этот прием называется авторадиографией. Альтман с помощью шприца вводил крысам меченый лейцин и оставлял их побегать. Позже, исследуя ткань их мозга, он обнаружил потемневшую фотоэмульсию в той части новой коры, которая отвечает за произвольные движения. Он нашел видимое проявление деятельности головного мозга! К сожалению, опыты выглядели не слишком достоверно и давали неустойчивые результаты, поэтому Альтман стал искать что-то еще, чтобы измерить это в мозге с помощью авторадиографии и получить менее расплывчатый и, как он надеялся, более устойчивый сигнал, который позволил бы ему откалибровать свой метод. Он натолкнулся на статьи, за несколько лет до этого опубликованные канадскими исследователями, где речь шла о делении клеток мозга. Здесь тоже использовалась авторадиография, и в последующих опытах Альтман хотел просто посмотреть, дает ли деление клеток в мозге стабильный сигнал.

Метод, который Альтман использовал, когда обнаружил нейрогенез взрослых (и который мы подробно опишем в следующей главе), широко применялся уже несколько лет, к тому времени с ним были проведены весьма результативные исследования, а кроме того, он позволял ответить на вопрос, где именно в процессе развития мозга происходит клеточное деление. Скорее всего, Альтман был первым, кто использовал этот метод на взрослом мозге. Собственно говоря, для этого не было никаких оснований, разве что можно было использовать его как отрицательный контроль[6] для каких-то совершенно иных процессов. Проведенные на тот момент исследования давно уже показали, что деление клеток по окончании развития организма, «несомненно», прекращается. По крайней мере, почти, но на нюансы никто не обращал внимания.

Но это было еще не все. Альтман намного опередил свое время. Его работа 1965 года и по сегодняшним меркам выглядит исчерпывающей и многогранной. Он уже тогда подумал обо всех назревавших вопросах и задал стандарт, на который впоследствии пришлось ориентироваться всем. Однако история не пошла по простому пути. Когда ученый совершает открытие, к которому научное сообщество еще не готово, сам исследователь нередко остается у разбитого корыта.

В 1969 году Альтман нашел нейрогенез взрослых еще в одной зоне, в обонятельной луковице^{9}. Он опубликовал массу работ по нейрогенезу у различных животных и описал это явление со всей точностью, какая тогда была возможна. И все же с двумя проблемами, с двумя открытыми вопросами ему справиться не удалось. Первый вопрос: как однозначно определить, что перед нами действительно новые, только что появившиеся нервные клетки, а не просто клетки, которые выглядят как нейроны, но не функционируют соответствующим образом? И второй: откуда они вообще берутся? На эти вопросы он не мог ответить в силу того, что для этого требовались методы, разработанные лишь десятки лет спустя, и поэтому допустил ряд промахов, которые многие позже несправедливо ставили ему в упрек. Например, он описал нейрогенез взрослых еще и в зрительной коре головного мозга, как мы сегодня знаем, ошибочно. Но это не умаляет его роли как основоположника в данной исследовательской области. Эйнштейн тоже ошибался (например, когда отвергал квантовую теорию), а научный прогресс невозможен без заблуждений. Только ошибки и заблуждения двигают нас вперед. Легко быть умным задним числом. Должно быть, в то время точно определить разницу было чрезвычайно трудно. Ведь новые клетки коры головного мозга – это не новые нейроны, но они действительно очень и очень похожи.

Что делать с явлением нейрогенеза взрослых, было не вполне понятно, и в нем видели скорее любопытный факт, чем важный нейробиологический процесс. Кроме того, очевидно, на тот момент еще не удалось разрешить ряд методологических противоречий. В результате звезда Альтмана в его научной области закатилась, и он нажил очень серьезные проблемы, настолько, что едва мог продолжать свою карьеру. Он ощущал это как несправедливость, и отчасти был прав. И все же первое время его работа выглядела скорее как курьез, чем как по-настоящему большое событие.

Очарованные пластичностью

Тема нейрогенеза взрослых очень притягательна, что ощутил на себе и Альтман. Это можно объяснить нарушением табу и отходом от догм и предрассудков, но лишь отчасти. Ведь роль аутсайдера быстро теряет свою прелесть. В 90-е годы ХХ века, когда нейрогенез взрослых открыли заново, он стремительно вошел в моду. Авторитетная научная редакция New York Times включила нейрогенез взрослых у человека в первую десятку открытий «Десятилетия мозга» – так называлась программа, проведенная правительством США в конце прошлого столетия. Не исключено, что известная газета при этом не только устанавливала мерила и критерии качества в науке, но и рассчитывала вызвать широкий отклик.

Мы начали с канареек Фернандо Ноттебома, потому что очарованию этой темы широкая публика впервые подверглась благодаря им. То, что нейроны – это мельчайшие функциональные единицы мозга, а мозг – это вместилище нашего мышления и нашего «я», сегодня известно всем. Но мы не всегда связываем между собой эти две мысли. Ведь если в них углубиться, можно прийти к гораздо более тяжелым размышлениям. Что, собственно, должно произойти на уровне нервных клеток, чтобы получилось некое «я» и «я думаю»? И как в целом взаимосвязаны структура мозга и его деятельность?

Эту фундаментальную взаимосвязь описывают с помощью не совсем простого для понимания термина «пластичность». Пластичность – это «взаимозависимость структуры и функции». Проще говоря, это то, как структура мозга влияет на его деятельность и как эта деятельность, в свою очередь, воздействует на его структуру. Мы увидим, каким образом пластичность связана с развитием и как она помогает мозгу функционировать. Однако на данном этапе самое главное, что пластичность очень важна для его деятельности. Мозг без пластичности мертв.

Мозг готов изменяться всегда. Его структура не статична, но долгое время считалось, что динамизм свойственен лишь сети нейронных связей. Согласно этим представлениям, количество нервных клеток, узлов в сети, в крайнем случае (причем печальном, например в случае болезни) могло уменьшиться, но никак не могло увеличиться. Нейрогенез взрослых же свидетельствует о том, что в некоторых исключительных областях бывает иначе. В этих привилегированных зонах мозг растет буквально от задачи к задаче.

Это было отчетливо видно на канарейках, и сегодня у нас есть масса данных, указывающих, что таким же образом дело обстоит в гиппокампе млекопитающих. Это позволяет предположить, что здесь имеет место какой-то, возможно, фундаментальный механизм. В отношении различных отделов мозга нейрогенез взрослых все же считается исключением. В гиппокампе действует принцип пластичности, который млекопитающие не используют в других областях мозга. Но гиппокамп вообще представляет собой совершенно особенную зону благодаря своей решающей роли в механизмах обучения и памяти. Это звучит так, будто мы отлично понимаем, что означают с нейробиологической точки зрения «обучение» и «память», как протекают эти процессы. И все же, хотя мозг и его работа по-прежнему хранят в себе множество тайн, уже нельзя сказать, что нам совсем ничего не известно. Генри Молисон (Henry Molaison; известный как Пациент H.M.), страдавший фармакорезистентной эпилепсией, был, пожалуй, самым хорошо изученным пациентом за всю историю медицины. В 1953 году, когда ему было 27 лет, врачи, буквально не зная, что еще предпринять, с обеих сторон удалили ему гиппокамп – структуру, в которой находился очаг его заболевания. Благодаря этому случаю нам известно, что без гиппокампа человек живет всецело «здесь и сейчас» и полностью теряет способность хранить что-либо в долгосрочной памяти. H.M. вполне освоил заново некоторые моторные навыки, а также, по-видимому, определенные семантические связи, но все это произошло неосознанно. Путь от фактов и взаимосвязей к сознательной памяти ему, потерявшему оба гиппокампа, отныне был закрыт.

Кристофер Нолан увековечил подобную весьма устрашающую ситуацию в психологическом триллере «Помни». В интернете можно найти обстоятельные дискуссии о научной достоверности сценария, но по придирчивости этих обсуждений как раз видно, насколько точно Нолан придерживается истины. Во всяком случае, картина впечатляет и позволяет получить представление о такой ситуации. Позже мы еще раз подробнее поговорим о пациенте H.M. и об этом фильме.

Бывают похожие случаи, когда пациент становится необучаемым в результате редкого воспалительного заболевания под названием «лимбический энцефалит». Оно затрагивает преимущественно те области мозга, где расположен гиппокамп, и при этом больной больше не может научиться ничему новому. Правда, при энцефалите это состояние носит временный характер, и впоследствии способность к обучению восстанавливается.

Кстати, с точки зрения пострадавшего, такого как H.M., дело обстоит совершенно иначе. Он не может запомнить, какая судьба его постигла, и, таким образом, неспособен по-настоящему осознать ситуацию и не страдает из-за нее в том смысле, в котором это могли бы представить себе внешние наблюдатели. Фильм «Помни» построен вокруг этого отличия, а поскольку его действие разворачивается в обратном порядке, зритель получает как минимум некоторое представление о том, как должен себя чувствовать человек, который ведет такую «бессознательную» жизнь. Однако именно этот феномен явно свидетельствует о том, какое значение гиппокамп имеет в нашей жизни. Если человек ничего не помнит, он в том числе не помнит своей биографии. Его собственная жизнь сужается до одного мига (и до воспоминаний о том, что он успел узнать до потери гиппокампа).

Гиппокамп занимает центральное место в таких важных умственных процессах, как обучение и память, и его роль настолько существенна, что мы резко ощущаем угнетение данных функций, даже если он «выключается из сети» лишь частично. Это происходит, например, при депрессии, а также в случае многих форм деменции (причем, например на поздних стадиях болезни Альцгеймера, дело может дойти фактически до полной потери соответствующих способностей). Под деменцией понимают снижение умственной деятельности, ранее протекавшей нормально (таким образом, это действительно упадок, а не отсутствие развития). Самый характерный пример деменции – болезнь Альцгеймера, которая, более того, обычно начинается в гиппокампе и прилегающих к нему областях[7]. Типичные ранние симптомы, указывающие на нарушения в гиппокампе, – это снижение способности к запоминанию и проблемы с ориентацией в пространстве. Эти симптомы нельзя объяснить недостатком новых нервных клеток, но есть основания предполагать, что при деменции в упадок приходят как раз те функции гиппокампа, для которых требуются новые нейроны. Тогда противодействовать развитию заболевания можно было бы, сохраняя или поощряя нейрогенез взрослых, хотя это не единственное, что понадобится, и цель здесь не в регенерации или восстановлении, но в компенсации конкретных функций. Не в последнюю очередь нейрогенез взрослых вызывает такой большой интерес не только в связи с его принципиальным значением для определенных когнитивных способностей, но и потому, что именно эти центральные мозговые функции нарушаются при деменции. В то же время этот взгляд, господствующий в массе работ по данной теме, не учитывает, что большинство людей, по счастью, не страдает ни депрессией, ни деменцией. У них новые нервные клетки вносят решающий вклад в высшие мозговые функции, которые считаются важной частью человеческой природы.

2

Позитивное следствие холодной войны

Чтобы подтвердить существование нейрогенеза у взрослых, Альтман прибегнул к чрезвычайно трудоемкому доказательству, и Ноттебому двадцать лет спустя пришлось использовать все тот же сложный метод. Более простые методики стали доступны лишь еще через десять лет, в 1995 году, и тогда появилась возможность исследовать нейрогенез взрослых во всей полноте. Однако последним на данный момент методологическим достижением, которое позволило доказать наличие этого явления у человека, мы обязаны, с одной стороны, блестящей идее занимавшихся данной темой ученых, а с другой, как ни парадоксально, – наземным испытаниям атомных бомб, проходившим в 50-е годы XX века.

Как найти новые нервные клетки

[5] Метаболизм, или обмен веществ, – набор химических реакций, необходимый для поддержания жизнедеятельности клетки. Активный метаболизм – увеличение скорости или количества реакций за единицу времени для выполнения специализированных функций клетки; для нейрона это проведение импульса и синтез медиаторов. Повышение скорости обмена веществ на продолжительное время (десятки минут) требует синтеза дополнительного количества ферментов, в состав которых и включается меченый лейцин.

[6] Отрицательный контроль – образец, для которого заведомо известно, что при нормальном ходе эксперимента результат будет отрицательным (то есть будет отсутствовать исследуемый сигнал, свойство, вещество и т. д.). Если результат положительный, значит, в эксперименте что-то пошло не так. – Примеч. перев.

[7] По современным представлениям, формирование амилоидных бляшек, отличительной черты этого заболевания, начинается в энторинальной области коры, тесно связанной с гиппокампом. Самые ранние симптомы заболевания, такие как потеря ориентации в пространстве, возникают именно из-за ее повреждения, что подтверждает высказанное далее автором предположение.