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

Мастер по связям: Джонас Солк и его институт

С 1995 года Гейдж работает в Институте Солка в Ла-Хойе, к северу от Сан-Диего. Этот институт в 1963 году основал Джонас Солк. Он создал вакцину от полиомиелита и таким образом избавил человечество от заболевания, которое только в Германии ежегодно уносило жизни сотен детей и взрослых, а у выживших вызывало тяжелые осложнения. Прививка от полиомиелита – яркий пример успеха вакцинации.

Если вспомнить тезис Томаса Куна, Солк занимался «нормальной наукой» и скорее упорно выполнял кропотливую рутинную работу, чем совершал революции. Поиски вакцины увенчались успехом, а для этого требовалась тонкая стратегическая работа. Но при этом был получен именно тот результат, на который надеялись и которого ожидали, – это не было знание, явившееся с непредвиденной стороны, как гром среди ясного неба. Отсюда можно заключить, что крупные, очень значимые исследования не обязательно ведут к революции. И все же Солк – и это в нем как раз интересно – был революционером.

Солк не занимался исследованиями мозга. Но у нас есть особая причина, чтобы все-таки упомянуть его в истории о нейрогенезе взрослых. После большого открытия, которое совершил ученый, его карьера пошла по очень необычному пути.

Пероральную вакцину от полиомиелита («Детский паралич – это горько, а вакцина – сладко») [24]24
  Слоган рекламной кампании вакцинации от полиомиелита в 60-х годах XX века в Германии. – Примеч. перев.


[Закрыть], с детства знакомую многим в Европе, придумал вовсе не Джонас Солк – ее в 1957 году ввел Альберт Сейбин из Института Пастера в Париже. Но слава в итоге в первую очередь досталась Солку, и во многом заслуженно. Не только потому, что он нашел самую первую вакцину, но и потому, что Солк был чрезвычайно харизматичным человеком и вел себя с достоинством и скромностью, которые только укрепили его репутацию гения. Он не стал патентовать вакцину, поскольку не хотел получать материальную выгоду от прав на свое открытие. Библейский царь Соломон, не думая о личных благах, просил у Бога мудрости и за свою скромность получил в придачу богатство – Солку тоже сполна воздалось за его деяния (только в этом случае ничего не известно о непосредственном Господнем вмешательстве). Нобелевскую премию ему, правда, не дали; в этой области она в 1954 году уже досталась Джону Франклину Эндерсу, которому первым удалось вырастить вирус полиомиелита в лабораторных условиях и который таким образом проложил дорогу Солку и Сейбину. Только благодаря его изысканиям вообще можно было говорить о разработке вакцины.

Зато Солк получил возможность основать собственный исследовательский институт при щедрой поддержке Национального научного фонда и фонда March of Dimes – в размере целых 20 миллионов долларов.

По настоянию мэра Сан-Диего, Чарльза Дейла, который сам перенес в детстве полиомиелит, Солку был предложен участок земли для института на скалистом берегу Тихого океана в Ла-Хойе, рядом с кампусом Калифорнийского университета, который тогда тоже находился на этапе формирования. Отец города принял мудрое и дальновидное решение: Институт биологических исследований Солка, как он называется сегодня, стал одним из самых успешных биологических исследовательских институтов; здесь постоянно растет собрание биомедицинской аппаратуры, подобных которому нет во всем мире. Когда Солк приехал в Ла-Хойю в 1963 году, ничто еще этого не предвещало. Но можно себе представить, как он стоял на своем удивительном участке высоко над Тихим океаном и чувствовал, что способен построить здесь что-то совершенно особенное. У Солка действительно была необычная задумка. Он хотел не просто организовать место для хороших исследований. Он хотел создать живую, будоражащую ум среду, где собирались бы горящие любопытством единомышленники и где можно было бы достичь в науке такого же успеха, какого достиг он сам.

В первую очередь Солк сыграл в науке большую роль, создавая возможности. Несомненно, он не был убежденным последователем «чистой» науки. Если посмотреть на его долгую карьеру, в некотором смысле его научные результаты не так уж впечатляют. Даже разработка вакцины не была большим интеллектуальным достижением. Согласно едкому замечанию его конкурента Альберта Сейбина, Солку за всю жизнь ни разу не пришла в голову оригинальная идея. Но большое, значимое научное достижение может быть и результатом синтеза. Например, Уотсон и Крик открыли структуру ДНК – двойную спираль, – опираясь на экспериментальные данные других ученых. А Эйнштейн, развивая общую и частную теорию относительности, сам не поставил ни единого эксперимента. Солк тоже в правильное время делал правильные выводы из доступной информации. В любом случае, чтобы закончить разработку вакцины, ему пришлось напряженно поработать в лаборатории. Он знал и всегда помнил, что его собственный успех в значительной степени зиждился на прекрасных условиях Питтсбургского университета, где он проводил свои фундаментальные исследования. И как бы он ни был сосредоточен на своей цели, он также очень интересовался всем, что находилось по обе стороны его дороги.

Солк был разносторонне образованным человеком и имел сильную тягу к искусству. Самым ярким проявлением этого интереса стала его женитьба на художнице Франсуазе Жило в 1970 году. Последняя, к сожалению, известна не столько своими произведениями, сколько тем, что в 40-е годы жила с Пикассо и родила ему двоих детей – Клода и Палому. Освободиться от чар художника было нелегко, но из его многочисленных женщин Франсуазе Жило это удалось лучше всех. Ее брак с Солком продлился до самой смерти ученого.

От своего большого замысла – создать институт, который в равной мере служил бы науке и искусствам, – Солку все же быстро пришлось отказаться. Несмотря на общие исторические корни этих двух сфер и при всем взаимном расположении их представителей, на самом деле трудно представить себе, как можно воплотить в форме института такое нестандартное сочетание. Зато благодаря огромным связям для строительства «своего» здания на берегу Тихого океана ученому удалось заполучить архитектора Луиса Кана. Проект Института Солка принадлежит к числу его главных работ, а изображение институтского двора украшает издания, посвященные как лично Кану, так и в целом архитектуре XX века (см. рис. 10 на вклейке).

Илл. 13. Основатель института Джонас Солк

Двор института выложен светлым травертином и смотрит на Тихий океан. В середине, точно по линии, где в начале весны и осени висит заходящее солнце, тянется канал – затем его воды каскадом падают на террасу ниже. Справа и слева возвышаются стены из бетона и тика, своей неровной формой напоминающие театральную кулису. Сюда выходят рабочие кабинеты руководителей исследовательских групп, а за ними располагаются уже сами лаборатории. Торжественные лаконичные линии навевают ощущение театральности, мистичности; они образуют совершенно невероятное строение, из подобных которому в мире можно найти разве что работы подражателей-единомышленников. Нельзя сказать, что все это сложилось случайно. Но такая земля, гениальный архитектор и щедрый бюджет при тогда еще низкой стоимости строительства… Сошлось несколько очень благоприятных факторов.

Это правильная архитектура в правильном пейзаже. Кану и его заказчику Солку подчинился гений места. С чисто практической точки зрения у здания масса недостатков, его содержание обходится очень дорого, зато его любят ученые, которые трудятся тут; лишь недавно здесь впервые провели дорогостоящий ремонт и внесли некоторые деликатные дополнения. Это яркий пример того, что архитектура может воодушевлять, а место, где вы работаете, подстегивать и питать ваш исследовательский дух. Здесь вдохновение одерживает победу над практичностью.

Гений места

Первый день моей работы в Институте Солка в 1995 году как раз совпал с похоронами его основателя – тот скончался 23 июня 1995 года. Похороны проходили в знаменитом внутреннем дворе, в центре которого несет свои воды «River of life» – река жизни. Перед гостями расстилался простор Тихого океана. Звучало множество речей, но подлинное завещание ушедшего заключалось не в словах. Для меня, молодого ученого, который на самом деле попал сюда благодаря большой удаче, этот эпизод при поступлении в институт был окрашен странной печалью, но при этом нес в себе огромную мотивацию. Солку было восемьдесят лет. Он управлял институтом до конца своих дней. В последние годы работал над вакциной против ВИЧ. Когда я своими глазами увидел эти стены и услышал речи, которые произносили присутствующие, мне подумалось, что Солк был правильным человеком в правильном месте. Так выглядят счастливые жизнь и старость.

Может быть, это просто совпадение, но именно здесь, в самой благотворной и стимулирующей обстановке, какую только может вообразить себе биолог, нам – мне и моему коллеге Гансу Георгу Куну – пришло в голову проверить, как влияет на нейрогенез взрослых обогащенная среда. Я склонен думать, что это не случайность, но, возможно, оглядываясь назад, идеализирую ситуацию. Как хорошо было бы позволить себе поверить в это: может быть, именно то место, где вдохновением гениального ученого была создана идеальная для развития науки обстановка, и навело нас на мысль, что мозг способен изменяться в результате пребывания и активной деятельности в подобной стимулирующей среде, а в данном конкретном случае такой опыт может даже вызвать образование новых нервных клеток.

Обогащенная среда стимулирует нейрогенез взрослых

Мы обнаружили, что мыши, пребывающие в так называемой обогащенной среде (в данном случае не в институте с видом на океан, а всего лишь в более просторной клетке, где было больше таких же животных, игрушек и лабиринтов, которые мы постоянно перестраивали), во взрослом возрасте демонстрировали более активный нейрогенез в гиппокампе (см. рис. 11 на вклейке) [32]. С одной стороны, в определенной мере положительный результат дополнял фундаментальное открытие Лиз Гульд, согласно которому стресс снижает нейрогенез, с другой – это было первое робкое свидетельство того, что гиппокампальный нейрогенез взрослых действительно для чего-то нужен и может иметь значение для деятельности мозга. До демонстрации соответствующих функций все еще предстоял долгий путь, но, раз нейрогенез регулируется опытом, это отчетливо указывало на то, что первый может быть полезен для формирования второго. Подобные выводы следует делать с большой осторожностью, но вдохновляться ими не запрещено.

В рамках своего первого проекта в лаборатории Гейджа я хотел и должен был показать, что в гиппокампе мыши вообще есть нейрогенез взрослых. На тот момент это было доказано только для крыс, но крысы большие и дорогие, а их генетика сложнее поддается исследованию. Во многих отношениях мыши – более удачная модель (хотя и не всегда). Но в своих опытах я, тогда еще не понимая этого, допустил некоторые ошибки. Мне казалось, что я в точности воспроизвел метод БДУ, который был не открыт, но доработан Гансом Георгом Куном для широкого применения и который служил нерадиоактивным вариантом методики, использованной Джозефом Альтманом. Поначалу мы обнаружили, что у мышей, по-видимому, нейрогенез взрослых очень ограничен. Собственно, его почти не было. Это нас расстроило.

Помню, как мы сидели в лаборатории и обсуждали, нельзя ли каким-то образом немного усилить слабый нейрогенез. Может быть, у наших мышей просто слишком скучная жизнь, и этот процесс у них как будто спит. В принципе, это была очень зрелая гипотеза, в конечном итоге сыгравшая большую роль, но впервые она прозвучала в порядке послеобеденной болтовни. Ну ладно, подумали мы, тогда предложим нашим мышкам нечто большее и посадим их в более просторные клетки с более увлекательной и разнообразной жизнью. Мы снова использовали метод Куна, чтобы маркировать новые нейроны, но теперь, опять же не понимая этого, все сделали правильно.

Никогда не забуду, как я положил под микроскоп первый обработанный препарат мозговой ткани. Это было совершенно будничное действие. Я только что закончил покраску, и меня давно уже ждали на дне рождения коллеги. Я хотел только быстренько убедиться, что все получилось. Вечеринку я в итоге пропустил, коллегу пришлось поздравить позже. И все это из-за того, что под микроскопом я увидел много-много новых нервных клеток. Так значит, мыши все же способны к нейрогенезу взрослых! Но это было еще не все. Мне быстро стало ясно, что препараты, на которые я смотрел, делятся на две группы: одни демонстрировали высокий уровень нейрогенеза взрослых, а другие – очень высокий.

Чтобы правильно проанализировать такой эксперимент, используют слепой метод. Это значит, что по кодовому номеру на предметном стекле, которое кладут под микроскоп, невозможно понять, что на нем за препарат: ткани мыши, которая жила в обогащенной стимулами среде, или контрольного животного из обычной клетки. Так делают, чтобы исследователь в процессе анализа не мог сознательно или бессознательно принять желаемое за действительное и каким-то образом исказить результаты. Но я еще не подготовил препараты для слепого анализа, потому что просто хотел убедиться на нескольких из них, что окраска в принципе получилась. Мне бросились в глаза незаклеенные подписи на предметных стеклах: у животных из обогащенной среды было больше новых нейронов. Опыт стимулирует нейрогенез взрослых! Это внезапное осознание поразило меня. Нейрогенез взрослых регулируется опытом! Он составляет «какую-то» часть взаимосвязи между структурой и функцией. Что-то похожее на то, что было у птиц Фернандо Ноттебома, но в другом участке мозга, который у мышей (как и у всех млекопитающих, а значит, и у человека) отвечает за обучение и память и играет определенную роль в так называемых высших когнитивных функциях.

Несмотря на радость внезапного и тем более мощного прозрения, мне еще предстояло использовать слепой метод, чтобы правильно обсчитать результаты и представить свои сильные впечатления в виде надежных чисел. Однако разница между двумя группами была настолько очевидной, постоянной и большой, что это действие не принесло новых результатов. Тем не менее оно было необходимо, хотя высокой объективности в сложившихся обстоятельствах противостоял психологический эффект «эврики».

Этот результат мы впоследствии подтвердили множеством экспериментов, где слепой метод корректно применялся с самого начала, и сегодня точно знаем, что предвзятость в этом первом опыте не исказила данных настолько, чтобы это заслуживало упоминания. Препараты из обеих групп просто слишком сильно отличались друг от друга.

В принципе, с тех пор вся моя работа – это попытки разобраться в том первом результате. Что здесь, собственно, произошло? Как образ жизни регулирует развитие нейронов, как это устроено? Но вдохновение, которое я испытал тем летним вечером 1996 года, не оставило меня до сих пор. Восторг не ослабел. Мы тогда не занимались нейрогенезом взрослых, а разрабатывали что-то для практического применения, которое должно было принести материальную выгоду, или пытались совершить прорыв в медицине. Этот поворотный эксперимент родился в результате того, что мы мимоходом, в порядке развлечения высказали некую гипотезу, а она в итоге оказалась куда удачнее всего, что мы до этого тщательно продумывали и планомерно пытались реализовать. А что, если? А что, если обогащенная среда усиливает нейрогенез взрослых?

Для таких сумасшедших экспериментов – особенно с позиций нашего времени – требуется определенная свобода действий.

Наши результаты стояли в ряду других исследований «пластичности» – способности мозга изменять форму, и на тот момент мы были слабо знакомы с литературой по этой теме. Мы первыми выявили зависимую от деятельности пластичность на уровне самих нейронов (а не только соединений между ними), но, чтобы соответствующим образом расширить (или сузить) это понятие, был нужен гораздо более подробный контекст, иначе все это звучало неубедительно. Так вся история могла бы остаться лишь любопытной заметкой на полях.

4
Развитие и пластичность

Френология

Вопрос о том, как устроено мышление, интересовал науку во все времена. Немалая часть философии всегда была посвящена темам, которые мы сегодня в основном относим к психологии. «Феноменологии духа» любого рода всегда были в какой-то степени механистически ориентированы, но лишь с концом XIX века стали появляться исследования, принципы которых можно отнести к нейробиологии или нейронауке в современном смысле (см. рис. 12 на вклейке).

До этого просто слишком мало знали о мозге, чтобы предметно рассматривать его роль в мышлении. Правда, раньше уже существовали представления, подобные тем, что развивал Франц Йозеф Галль, который около 1800 года одним из первых занялся вопросом о взаимосвязи структуры и функции. Естественно, он рассматривал эту проблему на макроуровне – а именно пытался по форме черепа делать выводы о заключенных в нем локализованных мозговых функциях. В определенном смысле идеи Галля были передовыми, он был предшественником (пусть и очень далеким) современной топической диагностики. Исследования он проводил, можно сказать, голыми руками, поскольку еще не мог «наблюдать работу мысли» (этой знаменитой фразой, которую мы уже цитировали, историк науки из Цюриха Михаэль Хагнер охарактеризовал современные методики визуализации мозга). В этом смысле Галль соотносил функции с двадцатью семью «органами», которые, по его утверждению, можно выделить в мозге, в первую очередь на основании собственной фантазии, а не твердых фактов. Но его идеи встретили широкий отклик, и фарфоровые головы, на которых им надписаны функциональные зоны, по сей день остаются популярным символом «науки о мозге». Этому не в последнюю очередь способствовало убеждение Галля, что такие прекрасные функции, как «уважение и признание авторитета», можно идентифицировать и найти их упорядоченное расположение; но не менее важно, что он одним из первых предположил наличие конкретной материальной составляющей в мышлении и другой психической деятельности.

Хотя многие из функций мозга действительно имеют локализацию, обычно она гораздо менее четкая, чем считал Галль. На самом деле у отдельных функций ЦНС, таких как дыхание или речь, есть определенные «центры», но это не значит, что они действуют изолированно. Хагнер критикует «новую френологию» современных методов визуализации, когда с помощью магнитно-резонансной томографии отслеживают «активность мозга» и определяют расположение конкретных функций (или пытаются это сделать), но уже по другим причинам. Кроме того, чем сложнее функция, тем труднее ее локализовать.

Галлева система понятий покоится на весьма статическом видении мозга, но оно далеко не так устарело, как можно было бы судить по фарфоровым головам с блошиных рынков. На протяжении XX века постепенно установилось на данный момент очень распространенное представление о том, что мозг – это что-то вроде компьютера. Хотя компьютер ассоциируется с чрезвычайно динамичной эпохой, глубоко внутри он – устройство с жесткой, прочно смонтированной структурой (по крайней мере, в своем наиболее распространенном кремниевом варианте), чего совсем нельзя сказать о нашем мозге.

Мозг – это не компьютер

Воображая, что мы хотя бы в общих чертах представляем себе устройство компьютера (хотя кто может этим похвастаться?), мы также думаем, что можем разобраться в мозге. Поскольку компьютер создали мы, люди (точнее, небольшая группа представителей нашего вида), очевидно, мы инстинктивно предполагаем, что он должен быть организован по нашему «образу и подобию». По этой причине, когда мы описываем, как функционирует мозг, аналогия с компьютером кажется нам допустимой.

Когда я учился во Фрайбурге, вирусолог Отто Халлер на своих лекциях объяснял нам принцип действия болезнетворного вируса на примере компьютерного, причем проводил двойную аналогию (в обоих направлениях). То, что в таком контексте еще как-то работало, вызывало удивление и было доходчиво, а значит, в целом полезно, в применении к мозгу ведет к «смерти через аналогию». Мозг – это не компьютер в том виде, в котором мы все его знаем и ежедневно используем. Это сразу становится ясно, если представить себе попытку перезагрузить мозг, выполнить цветную печать или сохранить резервную копию. При этом компьютер по-прежнему с трудом справляется с задачей поймать мяч с лету. Вычислительная мощность, которая нужна, чтобы согласовать подготовку к хватательному движению с предварительно рассчитанной траекторией полета, кажется невероятной. Компьютеры также с трудом воспринимают, интерпретируют и даже проявляют эмоции. Возможно, когда-нибудь они смогут и это, но до тех пор, пока их принципиальное устройство не изменится, им придется брать чистой массой и грубым натиском там, где мозг, благодаря совершенно иному принципу действия, справляется без всякого труда и обходится гораздо меньшими затратами (см. рис. 13 на вклейке).

Почти все признают, что мозг все же устроен немного сложнее, чем любой известный компьютер (ведь, в конце концов, все компьютеры – это порождение человеческого мозга), даже если последний обыгрывает чемпионов мира по шахматам и го. Но это скорее вопрос количественный, чем принципиальный. Квантовый компьютер его уже точно решит. Однако такая удобная экстраполяция на самом деле основана на совершенно неверной посылке. Дело не в том, что мозг – это не какой-то компьютер побольше и посложнее; в его основе вообще едва ли есть что-то общее с его кремниевым двоюродным лжебратом. У него совершенно иной базовый принцип, который поэтому не поддается экстраполяции и масштабированию. В конечном счете это имеет решающее значение для понимания сущности мозга и определяет последствия тех ошибок, которые вытекают из неверной аналогии.

В основе компьютера, каким мы его знаем, лежит стандартная архитектура, и сердце ее – ЦП, центральный процессор. «Шина» на короткое или продолжительное время передает информацию в виде двоичного кода между ЦП и различными накопителями. Сегодня существуют компьютеры, в которых параллельно работает более одного процессора. Развитие идет в этом направлении. Но работа мозга целиком состоит из параллельных процессов, и при этом центрального процессора у него вообще нет. Он сам – процессор. И одновременно не процессор. Ведь, хотя мозг и имеет модульную конструкцию, ее смысл не в четком разделении обязанностей. Здесь нет никакого центрального коммутатора.

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).