Текст книги "100 великих тайн сознания"

ТАИНСТВЕННАЯ ГЛИЯ

Исследуя нейроны мозга Альберта Эйнштейна, известный американский гистолог Мэриан Даймонд установила, что как по количеству, так и по размерам они ничем не отличаются от тех, что формируют серое вещество обычных людей.

Зато в той области коры, которая отвечает за высшие формы мыслительной деятельности, исследовательница обнаружила значительно большее количество клеток нейроглии (глии), чем у среднестатистического человека.

Этот факт, конечно, можно было бы посчитать обычным совпадением. Однако современные и более полные исследования говорят о другом. Они показывают, что клетки глии играют куда более важную роль в функционировании мозга, чем считалось ранее.

Аведь до последнего времени в изучении структур и функций мозга основное внимание акцентировалось на исследовании нейронов, хотя их, как известно, в 9 раз меньше, чем клеток глии. Раньше считалось, что эти клетки выполняют лишь чисто «технические» функции: способствуют перемещению питательных веществ из кровеносных сосудов в нейроны, поддерживают в мозге оптимальный баланс ионов, нейтрализуют патогенные бактерии и т. д.

Но при более тщательном их исследовании выяснилось, что ситуация с глиальными клетками далеко не так проста, как предполагалось ранее. Последние исследования говорят о том, что на протяжении всей жизни человека нейроны и глия постоянно обмениваются сигналами.

По количеству и по размерам нейроны мозга Альберта Эйнштейна ничем не отличаются от тех, что формируют серое вещество обычных людей

Более того, и сами глиальные клетки общаются и друг другом, влияя на деятельность всех структур мозга. Но передают они сообщения друг другу с помощью химических, а не электрических сигналов, как нейроны.

При этом глия очень четко распознает поступающие в аксоны электрические импульсы, реагируя на них поглощением ионов кальция. В нейронах кальций, в свою очередь, «включает» ферменты, которые отвечают за синтез нейротрансмиттеров – химических соединений, с помощью которых электрический импульс передается из нервной клетки через синаптическое пространство между нейронами.

Не исключено, что поступивший в глиальные клетки кальций активизирует определенные ферменты, которые влияют на начало и развитие каких-то реакций…

Впервые клетки глии были обнаружены и описаны еще в 1846 году знаменитым немецким патологоанатомом Р. Вирховым. Он же и дал им и это название, тем самым определив их как структуры, склеивающие нервную ткань.

Особенно интенсивно изучали глию медики, так как в этой ткани особенно часто возникают опухоли мозга. В свою очередь, это обстоятельство, скорее всего, связано с тем, что клетки глии, в отличие от нейронов, могут делиться даже во взрослом состоянии.

Следует отметить, что глия состоит из нескольких типов клеток. Однако в ней наиболее широко представлены нервные клетки, называемые астроцитами. Например, в мозолистом теле на их долю приходится четверть всех глиальных клеток.

Уже само название астроцита говорит о том, что он имеет форму миниатюрной звездочки с многочисленными отростками, один из которых связан с нейроном, а остальные – с капиллярами.

На конце каждого отростка имеются утолщения, называемые астроцитарными ножками. Но поскольку за поверхность капилляра цепляются отростки многих астроцитов, то они переплетаются друг с другом настолько плотно, что вокруг кровеносного сосуда образуют подобие чехла.

Считается, что эта изоляция сосудов является одним из «редутов» в мозговом, или гематоэнцефалическом, барьере.

Два других типа глиальных клеток – олигодендроциты и шванновские – похожи не только по внешнему виду, но и по выполняемым функциям. Правда, олигодендроциты образуют миелиновую оболочку аксона в центральной нервной системе, а шванновские клетки – в периферической.

Намотан же миелин на аксон слоями, подобно изоленте. Причем таких слоев на одном аксоне бывает до полутора сотен.

Впрочем, хотя большинство аксонов и покрыты толстым слоем нейроглии, тем не менее на многих из них ее нет вообще.

Более того, даже на покрытых глией нервных волокнах на каждом миллиметре «изоляционного» слоя имеются разрывы, называемые перехватами Ранвье.

В последние годы, став предметом тщательного изучения нейробиологов, глия приоткрывает все больше и больше своих тайн. Например, выяснено, что она играет очень важную роль в распространении по нейрону электрических импульсов.

Предотвращая «утечку» сигнала, глия обеспечивает быстрое прохождение импульса от одного участка к другому. Так, по аксону, который покрыт миелином, сигналы бегут примерно в 100 раз быстрее, чем по волокну без изоляции.

Но для того, чтобы импульс «проскакивал» через волокно с максимальной скоростью, необходимо соблюдение следующего условия: толщина изоляции должна находиться в строго определенной пропорции к диаметру волокна внутри нее. Наилучший результат достигается, когда отношение толщины аксона к общей толщине волокна равно 0,6. Но вот как глиальные клетки определяют это соотношение, то есть количество необходимых слоев, ученым пока неизвестно…

«У человека процесс миелинизации протекает постепенно. В момент рождения лишь в нескольких областях мозга содержится достаточно большое количество миелина, который затем к 25–30 годам неравномерно распространяется и откладывается в отдельных местах.

Миелинизация обычно идет волной от затылочной коры больших полушарий к лобной по мере взросления. Соответственно, в лобных долях она происходит позже всего. Эти области ответственны за сложные рассуждения, планирование действий и суждения – а такие навыки приходят лишь с опытом. Исследователи предполагают, что недостаточная миелинизация является одной из причин того, что подростки не способны принимать ответственные решения так же, как взрослые.

Предположительно, в человеческом мозге миелинизация аксонов не завершается до полового созревания, поскольку до этого времени волокна продолжают расти, обретают новые ветви и лишаются старых в зависимости от индивидуального опыта данного человека. После того как они покрываются миелином, в них могут происходить лишь более ограниченные изменения. Ученых волнует, действительно ли миелин обеспечивает познавательные способности, или же когнитивные процессы просто ограничены в тех областях, где он еще не сформировался.» (Дуглас Филдз. Вещественность белого вещества. // В мире науки. 2008, № 6).

Это попытался выяснить Фредрик Уоллен. Будучи сам неплохим музыкантом, он и провел изучение распределения глии у профессиональных пианистов. В результате этих исследований ученый установил, что, в отличие от людей, далеких от музыки, у пианистов определенные области белого вещества действительно развиты намного лучше. Более того, особенно много глии отмечается у тех музыкантов, которые начали осваивать инструмент в раннем возрасте.

Наблюдается также прямая связь между объемом глии и коэффициентом интеллекта IQ. Эти доказательства были получены при изучении детей в возрасте от 5 до 18 лет. Кроме того, было установлено, что у детей, страдающих тяжелыми нарушениями внимания, белого вещества в мозолистом теле содержится на 17 % меньше, чем у здоровых.

В экспериментах на крысах тоже было продемонстрировано, что те из животных, которых выращивали в богатой на «игрушки» и общение среде, в мозолистом теле имели повышенное содержание миелинизированных волокон.

Опираясь на эти сведения, ученые стали подозревать, что глия может иметь непосредственное отношение и к различным заболеваниям психики. Например, при томографическом исследовании мозга при дислексии было установлено, что количество белого вещества в нервных цепях, участвующих в чтении, значительно меньше, чем в здоровом организме.

Еще в одном исследовании было установлено, что у людей, неспособных различать высоту звука, снижено количество белого вещества в одном из пучков волокон на правой стороне мозга.

«В настоящее время причиной шизофрении считают аномалии развития мозга, в том числе, нарушение образования связей. Врачи всегда удивлялись, почему это заболевание обычно развивается в подростковом возрасте. Но ведь это как раз тот возраст, когда идет активная миелинизация передней части больших полушарий! За последние годы исследователи обнаружили аномалии белого вещества в нескольких областях мозга больных шизофренией – оказалось, что в нем снижено количество олигодендроцитов.

Аномалии белого вещества выявлены также у больных, страдающих синдромом дефицита внимания, аутизмом, возрастными нарушениями функций мозга и болезнью Альцгеймера, а также у людей с патологической склонностью ко лжи», – утверждает Дуглас Филдз в своей статье, отрывок из которой уже цитировался выше.

Таким образом, таинственное белое вещество мозга играет важнейшую, а иногда и ключевую, роль во многих процессах, происходящих в мозге. Поэтому ее исследованием с каждым годом занимается все больше ученых и исследовательских институтов.

ЧИСТО ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ КЛЕТКИ

Мозг человека отличить от такового, например, собаки или лошади совсем несложно. Труднее это сделать, если сравнить головной мозг человека и обезьян. Впрочем, и в этом случае особых трудностей специалист не испытает. У человека и само вместилище разума крупнее, и размер коры, как абсолютный, так и относительный, больше.

Но это все явные и хорошо заметные признаки. А если у человека какой-нибудь микроскопический признак, характерный только для него? Своего рода маркер интеллекта. Например, какие-нибудь особенности в строении нервных клеток мозга. Ведь, по сути, именно их взаимодействие рождает не только примитивные реакции на воздействие окружающей среды, но высшие формы нервной деятельности.

Оказывается, такие своеобразные метки, присущие только человеку и ближайшим его родственникам по филогенетическому дереву, есть. Это – веретенообразные нейроны.

Впервые их обнаружили еще в начале прошлого века. Описали, связали с некоторыми функциями, а затем об их существовании надолго забыли.

Вернула к «жизни» эти клетки студентка-старшекурсница Эстер Нимчински. Случилось это на пороге нынешнего – двадцать первого века. Эстер, изучавшую поясную извилину коры головного мозга, заинтересовала группа нервных клеток, которые явно отличались от других нейронов – звездчатых и пирамидальных.

Их тела были раза в четыре крупнее, чем у других нейронов. К тому же эти клетки имели по два дендрита. Впрочем, даже не это главное. Важнее то, что один из этих отростков находился в нижней части нейрона, а другой – в верхней. Такая своеобразная структура делала эти нейроны похожими на веретена. Поэтому их так и назвали: веретеновидными клетками.

В мозгу орангутана и других высших обезьян, как и в мозгу человека, имеются веретеновидные клетки

Когда же Нимчински и ее руководитель Хоф стали более углубленно изучать эти нейроны, то вскоре выяснили, что они присутствуют только в передней области поясной извилины, в так называемом слое 5b, который выдает итоговый результат после обработки поступившей в мозг информации.

Более того, оказалось, что таких клеток у здоровых людей совсем немного. Однако у тех пациентов, причиной смерти которых стала болезнь Альцгеймера, веретеновидных нейронов оказалось на три четверти меньше нормы.

Проанализировав полученные факты, исследователи пришли к выводу, что веретенообразные клетки играют особую, и, скорее всего, очень важную роль высшей нервной деятельности человека.

К тому же поясная извилина, наряду с другими важными структурами, входит в состав лимбатической системы, располагаясь на внутренней поверхности полушарий мозга, или, иначе говоря, под передними долями коры головного мозга.

А ведь еще в середине прошлого века американский физиолог Дж. Папец высказал мысль, что лимбическая система принимает активное участие в формировании эмоций у животных и человека. Более того, по его же мнению, эта структура мозга принимает сигналы, связанные с эмоциональным возбуждением, от гипоталамуса, которые тот получает через таламус.

Что же касается поясной извилины, то тот же Дж. Папец назвал ее особой структурой, которая отвечает за восприятие эмоций, то есть за тот процесс, в результате которого изменение гормонального уровня в крови превращается в чувство.

Но самое любопытное ученых ждало впереди. Оказалось, что веретеновидные клетки присутствуют не только у человека, но и в соответствующей области мозга шимпанзе и горилл. В то же время их нет в аналогичных зонах мозга макак.

Дальнейшие исследования показали, что впервые веретеновидные клетки появляются в мозге орангутана. Их обнаружили также в соответствующих структурах упоминавшихся выше шимпанзе и гориллы, а также у бонобо.

Но вот у гиббонов, а также у представителей других обезьян, а также у обследованных млекопитающих их не нашлось. А ведь ученые изучили ткани мозга 23 видов приматов и 30 видов других млекопитающих.

Более того, в то время как у орангутана веретеновидные клетки исчисляются единицами, у человека их десятки тысяч. А вот горилла, шимпанзе и бонобо по количеству этих нейронов занимают промежуточное положение между орангутаном и человеком.

И еще один важный момент: у человека при рождении веретенообразные нейроны отсутствуют, и появляются они лишь на четвертом месяце жизни. То есть тогда, когда ребенок начинает улыбаться и задерживать взгляд на окружающих его предметах.

Конечно, у исследователей возник логический вопрос: а какую же функцию веретеновидные клетки выполняют в мозгу высокоорганизованных приматов? Ответить на этот вопрос можно было, определив те области мозга, в которых находятся эти нейроны.

Так, главное место концентрации веретеновидных клеток – поясничная извилина, о чем было известно уже давно – обеспечивает внимание, воспринимает боль, фиксирует ошибки и т. д.

Так, электроэнцефалограммы показывают, что поясничная извилина начинает работать намного активнее, когда человек решает различные задачи.

Известны также случаи, когда больные с повреждениями поясничной извилины в основном лежали, почти не разговаривая и ничего не делая. Однако выздоровев, они сообщали окружающим, что они слышали и понимали их разговоры, но желания вступить в беседу не чувствовали.

На основании проведенных исследований ученые пришли к выводу, что как раз веретенообразные клетки мозга и делают человека человеком, заставляя его влюбляться, чувствовать себя виноватым, относиться к тем или иным людям с симпатией или антипатией.

Возможно, эти клетки обеспечивают быстрое рождение социальных эмоций в отношении того или иного субъекта: «он симпатичен», «он неприятен», «я вляпался» и т. д.

Но так ли это на самом деле, сказать пока ученые не могут. Для этого требуются новые более строгие доказательства. А пока предположение, что именно веретенообразные клетки «делают нас людьми», – всего лишь гипотеза.

ХИМИЯ МОЗГА И ПОВЕДЕНИЕ

Обычно взаимоотношения между людьми считаются прерогативой социально-психологических наук. Но, как показали исследования последних лет, эту проблему можно исследовать и на молекулярном уровне. И это подтвердили некоторые открытия в области генетики и биохимии.

Так, например, было установлено, что некоторые молекулярные механизмы, регулирующие социальное поведение, существуют, не меняясь, сотни миллионов лет. Причем как у животных, так и у людей они очень похожи и функционируют почти одинаково.

Одним из таких регуляторов общественного поведения являются нейропептиды окситоцин и вазопрессин.

Детальное их исследование показало, что эти соединения могут работать в двух режимах: они могут воздействовать и на одиночные нейроны и на их группы. В первом случае они называются нейромедиаторами, во втором – нейрогормонами.

Молекулы окситоцина и вазопрессина состоят всего из девяти аминокислот и отличаются одна от другой всего двумя аминокислотными фрагментами.

Эти или родственные им соединения обнаружены почти у всех изученных многоклеточных животных: их нашли даже у гидр. Их история, согласно заключению биологов, насчитывает около 700 миллионов лет.

Миндалина – отдел мозга, отвечающий за обработку социально значимой информации

У млекопитающих и человека синтезом окситоцина и вазопрессина заняты нервные клетки гипоталамуса. А вот у беспозвоночных, у которых эта структура отсутствует, производят эти соединения особые нейросекреторные отделы нервной системы.

Влияние этих двух нейропептидов очень широко исследовалось на многих видах животных. В результате оказалось, что окситоцин практически полностью регулирует семейную жизнь самок: их половое поведение, роды, лактацию, привязанность к детям и брачному партнеру.

А вот вазопрессин больше занят «сильным» полом: он влияет на эрекцию и эякуляцию, на агрессию, территориальное поведение и отношения с партнершами.

Безусловно, влияние этих соединений на поведение человека исследовать во много раз сложнее, чем их воздействие на поведение животных. И тем не менее благодаря современным методикам в этой области науки ученые получили немало любопытных фактов.

Удивительные результаты дало сопоставление индивидуальной изменчивости людей по некоторым микросателлитам – коротким, последовательно расположенным повторам в ДНК. Оказалось, что с этой изменчивостью связаны психологические и поведенческие различия.

Кроме того, выяснилось, что микросателлиты влияют на некоторые черты характера, например, на способность к самопожертвованию. В частности, это касается микросателлита RS3.

Под контролем этого участка ДНК находится и семейная жизнь. В 2006 году шведские ученые установили, что у мужчин, гомозиготных по одному из аллельных вариантов микросателлита RS3, названного RS3 334, романтические отношения приводят к браку в два раза реже, чем у остальных представителей сильной половины человечества.

Более того, у них во столько же раз больше риск оказаться несчастливыми в браке.

А вот у слабого пола таких соотношений между сателлитами и проблемами в жизни не обнаружено: даже если женщины являются гомозиготными по данному аллелю, они не сильно обижаются на свою личную жизнь.

В то же время те из женщин, которым судьба «подарила» мужа с «неправильным» микросателлитом, отношениями в семье чаще всего недовольны.

Носители аллеля RS3 334 выделились еще рядом характерных особенностей. Так, их больше среди тех, кто страдает аутизмом. При рассматривании посторонних лиц у носителей этого аллеля сильнее возбуждается миндалина – отдел мозга, отвечающий за обработку социально значимой информации, а также за ощущение страха и недоверчивость.

Когда же нейролептиды стали капать в нос, то ученые получили удивительные эффекты. Так, когда таким путем ввели мужчинам вазопрессин, в лицах незнакомых людей она увидели угрожающую мимику.

А вот у женщин эффект был обратный: для них неизвестные лица становились дружелюбнее, да они и сами вели себя намного мягче. А у мужчин все было наоборот.

Что же касается окситоцина, то у мужчин он улучшал способность по выражению лица разбираться в настроении и чувствах незнакомых им людей. Помимо этого, во время разговора мужчины чаще смотрели своему визави в глаза.

Кроме того, при носовом введении окситоцина мужчины становились доверчивее.

Проведенные исследования со всей остротой показали проблемы, которые могут в ближайшем будущем появиться в обществе. Например: распылять продавцам в воздухе вокруг своих товаров окситоцин или нет? Прописывать ли микстуру окситоцина постоянно ругающимся супругам? Или этого делать не стоит, чтобы не вызвать у них более серьезных проблем со здоровьем?

Ответить сразу на все эти вопросы ни биологи, ни психологи, ни социологи не могут. Поэтому проблема химии мозга, контроля над ней и будущим общества ждет новых исследований и, конечно же, выводов, которые смогут предложить наиболее оптимальный вариант выхода из этой ситуации.

УДИВИТЕЛЬНЫЙ И ЗАГАДОЧНЫЙ МЕЛАТОНИН

Мелатонин – не только важнейший гормон из производимых эпифизом, но и одно из эволюционно древнейших биологических веществ. И для такого утверждения у биохимиков имеются все основания. Ведь это соединение ученые обнаружили в составе одноклеточных организмов и растений.

Открыт он был в 1958 году американским дерматологом А. Лернером.

На рисунке Р. Декарта шишковидная железа, или эпифиз, обозначена буквой Н

В организме позвоночных животных, в том числе и у человека, синтезом мелатонина занята шишковидная железа, или эпифиз. Но прежде чем установить этот, хорошо известный сегодня, факт, ученые провели многочисленные эксперименты, порой весьма тонкие и сложные.

И только в начале XX века австрийский невролог О. Марбург предположил, что эпифиз синтезирует и выделяет специфическое соединение, которое оказывает непосредственное влияние на работу гипоталамуса и, как следствие – на развитие и функционирование развитие репродуктивной системы.

Примерно в это же время было доказано, что в эпифизе находится вещество, приводящее к побледнению кожи.

Основой для производства мелатонина в человеческом организме является незаменимая аминокислота триптофан.

Когда поток крови доставляет ее в эпифиз, здесь триптофан при непосредственном участии ряда ферментов превращается сначала в серотонин, из которого затем образуется мелатонин.

Не задерживаясь в эпифизе, это вещество немедленно поступает в кровь и спинномозговую жидкость, или в ликвор.

При этом, как считают физиологи, мелатонин не просто диффундирует в окружающие эпифиз жидкости, а выбрасывается эпифизом двумя отдельными порциями. Одна порция, имеющая низкую концентрацию, направляется в кровь и переносится ею в периферические органы и ткани, а другая, более концентрированная, поступает в ликвор, где связывается с рецепторами мозга.

При этом в течение суток содержание мелатонина в крови существенно меняется. Так, если днем его концентрация всего 1–3 пикограмма/мл, то примерно за два часа до отхода ко сну она начинает постепенно увеличиваться, а после выключения света она возрастает до 100–300 пикограмм/мл.

В предрассветные часы концентрация мелатонина опять начинает снижаться, и после пробуждения снова достигает своего минимума.

И что в этих суточных изменениях концентрации удивительно, они для каждого конкретного человека довольно стабильны, причем, настолько индивидуальны, что можно говорить о мелатониновой кривой, как о своеобразном маркере данного человека.

Исследования показывают, что помимо суточных колебания мелатонина у людей наблюдаются и в разные периоды годового цикла.

И, скорее всего, именно с годовым ритмом мелатонина связаны и сезонные колебания физического и эмоционального состояний человека. Например, проявление сезонных депрессий.

Молекула мелатонина отличается небольшими размерами и высоким сродством к жирам. Поэтому она может свободно проникать в любые органы и ткани, преодолевая даже такие серьезные преграды, как плацентарный и гематоэнцефалический барьеры.

Молекулы мелатонина были обнаружены в сетчатке, половых железах, селезенке, печени, вилочковой железе, желудочно-кишечном тракте.

Следует особо отметить, что эмбрионы и только что появившиеся на свет младенцы человека сами синтезировать мелатонин не могут, а используют материнский, который поступает сначала через плаценту, а потом – с молоком матери. Секреция гормона начинается лишь на третьем месяце развития ребенка.

С возрастом синтез мелатонина в эпифизе резко увеличивается и достигает максимума в 5-летнем возрасте. А затем в последующие годы он постепенно снижается.

По-видимому, связано это с тем, что с возрастом активность периферических эндокринных желез падает, поэтому и в тормозящих эффектах мелатонина они перестают нуждаться.

Любопытные идеи в отношении мелатонина выдвинул российский ученый А.М. Хелимский. Он предположил, что главным фактором эволюции человека стал постепенно нарастающий темп и ритм жизни. И эта эволюционная результирующая как раз и реализуется через эпифиз и его основной гормон – мелатонин.

Хелимский считает, что хронический стресс матери во время беременности, который в основном характерен для мегаполисов, повышает в ее организме уровень гормонов стресса, которые, проникая через плаценту, подавляют у зародыша формирование эпифиза. Об этом свидетельствует тот факт, что за первую половину прошлого столетия средний вес эпифиза зрелого плода снизился почти в два раза.

А это, в свою очередь, приводит к ослаблению блокирующего действия мелатонина на функции гипофиза. Соответственно, он начинает более активно продуцировать и выбрасывать в кровь половые гормоны, приводящие к подростковой акселерации.

Влияет мелатонин и на сон. Причем влияние это самое разное. Иногда он подавляет сон, иногда не влияет вообще, а порой даже увеличивает продолжительность парадоксального сна.

Причину столь разного влияния мелатонина на сон ученые пока объяснить не могут. Возможно, связано это с изменением гормонального баланса.

В последние годы мелатонин очень активно изучается. Тем не менее его роль в организме пока до конца не исследована.