Текст книги "Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг"

Зоны нейрогенеза

Согласно расхожему определению, нейрогенез взрослых – это образование новых нейронов в мозге взрослой особи. Мозгу взрослого, по крайней мере у млекопитающих, включая человека, нейрогенез обычно не свойственен, иными словами, его условия не позволяют формировать нервные клетки. Он не регенерирует, по этой причине многие из заболеваний мозга необратимы и носят хронический характер. До рождения и некоторое время сразу после него мы видим совершенно иную картину: мозг – само развитие, здесь все находится в движении. Производится колоссальное количество нейронов. Через некоторое время после оплодотворения эмбрион становится размером с фасолину, размеры мозга у него соответствующие. К моменту рождения этот орган у человека весит уже около 350 граммов, и это всего лишь около четверти массы мозга взрослого. Формирование его продолжается и после появления на свет. И хотя при этом образуются миллиарды клеток, нейроны формируются с большим запасом. В течение детства образование нервных клеток идет на убыль. Согласно оценкам, к школьному возрасту оно в массе своей завершается, и лишь в отдельных областях, например в мозжечке, заканчивается только в 10–12 лет. У млекопитающих нейрогенез сохраняется лишь в двух или, возможно, трех областях мозга (см. рис. 1 на вклейке). Некоторые детали здесь остаются спорными, вероятно, есть важные различия между отдельными видами животных. Но в целом уже твердо установлено: во взрослом мозге формируются новые нервные клетки.

У человека нейрогенез ярко выражен в гиппокампе, в той самой небольшой зоне мозга, которая имеет решающее значение для обучения и памяти. Гиппокамп также называют «вратами памяти», поскольку вся информация, которую мы хотим сохранить в долгосрочной памяти[3]3
  Здесь имеется в виду один определенный тип памяти – «декларативная память», включающая осознанные, в том числе биографические, воспоминания.


[Закрыть], должна пройти обработку в этой области. Мы еще поговорим о значении последней в главе «Новые нейроны для новых мыслей», когда будем рассматривать, какое участие принимают в ее деятельности новые нейроны и какие это влечет последствия. Конечно, если нейрогенез взрослых протекает именно в «центре обучения», естественно предположить, что новые нервные клетки играют в этом процессе какую-то особую роль. С другой стороны, не всякий, кого застали на месте преступления, обязательно преступник. Как мы увидим, доказать, что новые нейроны участвуют в деятельности гиппокампа и как именно они это делают, было совсем не просто.

Вторая (точнее, если учесть ее удивительное постоянство в мире животных, первая) зона нейрогенеза, которую можно найти у большинства млекопитающих, находится в обонятельном мозге[4]4
  Обонятельный мозг (лат. Rhinencephalon) – собирательный термин, включавший в разное время разный набор анатомических структур, относящихся к конечному мозгу.


[Закрыть]. Обоняние – это способность обнаруживать в окружающей среде химические соединения. Это своего рода «прачувство», в зачаточном виде присутствующее уже у очень примитивных животных. У млекопитающих нейрогенез встречается главным образом в этих двух зонах, но, за исключением самых основных черт, между этими процессами в той и другой зоне мало общего. Вероятно, у всех известных нам позвоночных есть некое подобие гиппокампа, но лишь у млекопитающих та его часть, в которой мы наблюдаем нейрогенез взрослых, присутствует в такой форме и обладает такими функциями [2]. Это захватывающий поворот дела, ведь данный факт заставляет предположить (хотя, конечно, еще не доказывает), что с возникновением особой структуры «зубчатой извилины», как именуется та область гиппокампа, где у млекопитающих происходит нейрогенез, у них развилась также исключительная способность приспосабливаться и принимать различные формы, и эти два явления тесно связаны между собой.

Мифы о мозге

До того как обнаружили нейрогенез взрослых, существовали определенные представления о развитии и деятельности мозга, которым данное открытие противоречило. Такие представления часто принимают характер мифов. Бывает, что мифами долгое время успешно объясняют некоторые явления, но затем подобные убеждения, которые ранее не подвергались сомнению, приходится соотносить с новыми достижениями науки.

Есть мифы расхожие, знакомые каждому, например, о том, что в шпинате много железа или что после еды вредно плавать. В медицине особенно распространена «народная мудрость», в том числе представления о мозге, под которыми нет никаких оснований.

Пожалуй, самое распространенное убеждение такого рода состоит в том, что человек использует мозг лишь на 10 %. В 2004 году вышел научно-фантастический триллер со Скарлетт Йоханссон в главной роли, сюжет которого построен на этой идее: героиня принимает вещество, призванное разбудить потенциал дремлющих 90 % ее мозга.

Илл. 3. Завязкой триллера «Люси» со Скарлетт Йоханссон в главной роли послужил распространенный, но безосновательный миф о том, что мы используем лишь 10 % мозга. Что же будет, если разбудить спящие 90 %?

Как будто без всякого противоречия рядом с этим мифом о 10 % сосуществует представление о том, что после двадцати пяти лет (некоторые даже утверждают, что после полового созревания, а отдельные пессимисты – что сразу по окончании детского возраста) наша мыслительная деятельность начинает угасать, потому что, рано достигнув расцвета, при котором количество нервных клеток у нас максимально, затем мы лишь теряем их на протяжении всей оставшейся жизни. Уже в начальной школе нас пугали, что, если часто забивать голы головой, мозги отобьешь. Это скрытое следствие данного мифа. Позже мы мучились совестью за каждую лишнюю кружку пива, ведь оно якобы усугубляет эту постоянную деградацию. Наконец, хотя об этом, в отличие от детских игр в футбол, чаще всего не говорят вслух, предполагается, что есть некая критическая черта, за которой человек неизбежно впадает в маразм. Коротко говоря, мозг нужно беречь, иначе он износится раньше времени. Согласно этим представлениям, пожилой возраст, а тем более деменция – это состояния нехватки нервных клеток. Все это, очевидно, плохо сочетается с идеей о том, что мозг, как ни крути, используется всего на 10 %. Если у нас в запасе 90 % мозга, можно было бы позволить себе потерять часть клеток без всяких последствий. Где же тогда истина? Ни там, ни там, но оба мифа несут в себе отголоски правды.

Откуда взялся миф про 10 % – а он очень устойчив, – неизвестно. Его часто приписывают отцу сайентологии Рону Хаббарду, но возможно, и это тоже миф. Правда то, что практически никто не использует весь своей потенциал целиком (это то зерно истины, которое кроется здесь).

Тем не менее нет угрозы, что мозг переполнится. Подобные опасения обыгрывает в своей знаменитой карикатуре Гари Ларсон. Если говорить о емкости, наше запоминающее устройство никогда не бывает заполнено целиком. Но при этом и нельзя сказать, что есть какие-то пустые участки, которые бы простаивали. Мозг всегда активен весь полностью. У него большие резервы, в этом плане миф даже говорит правду, но ни в коем случае не в чисто структурном смысле, а в функциональном и, как мы увидим позже, в смысле «пластичности». А число «10 %» и вовсе взято с потолка.

Представление о своем потенциале, по иронии судьбы, люди получили благодаря редкой прихоти природы. Это так называемые саванты – те, у кого на фоне ограниченных умственных способностей есть удивительные «острова гениальности» – отдельные навыки, в которых они способны достичь незаурядных успехов. При этом очередной миф состоит в том, что к савантам относятся многие или даже все люди с аутизмом.

Одним из самых известных савантов был прототип «человека дождя» из одноименного фильма с Дастином Хоффманом, Ким Пик [3]. Он мог, один раз проглядев текст (это даже нельзя назвать чтением), «пересказывать» наизусть целые книги. К концу жизни его память хранила содержание приблизительно двенадцати тысяч книг, которые он смог запомнить слово в слово. Это показывает, какие объемы информации способен вместить человеческий мозг. Некоторые предпринимают попытки добраться до этих сокровищ, или, по крайней мере, их подобие. «In search of the rain man within us all» («поиски человека дождя в каждом из нас») – так это называет Дарольд Трефферт, специалист по савантам. Проблема, однако, в том, что Ким Пик мог использовать свои огромные знания только в совершенно статичном виде. Он не обладал способностью отбирать информацию; его память была похожа на склад. Ассоциативное мышление у него развилось лишь на очень поверхностном уровне. Связь между двумя полушариями его мозга оставалась рудиментарной. По-настоящему обрабатывать свои колоссальные знания савантам чаще всего не удается. Они замечательно производят вычисления, но не становятся от этого математиками.

По-видимому, реализовать весь потенциал какой-либо функции, которая обычно используется частично, можно только очень высокой ценой. То же самое происходит с рекордсменами в других сферах, например в большом спорте. Здесь тоже, как сказали бы экономисты, возникают «издержки упущенных возможностей». В такой ситуации все ресурсы, будь то время, энергия или инфраструктура, направляются исключительно в одно русло. Олимпийские чемпионы по синхронным прыжкам не бывают одновременно блестящими пианистами. Зато благодаря савантам мы знаем, что у нас не хватает ресурсов на обработку информации, а не на ее хранение.

О «резервах» мы подробно поговорим позже. Сейчас важно отметить, что в мозге не существует каких-то земель, которые можно было бы осваивать. Нет нервных клеток, которые валялись бы без дела и только ждали своего часа.

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]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.


[Закрыть] 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]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.


[Закрыть] 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.