Создана самая подробная карта нейронных связей в мозге человека

Что такое нейрон (нейронные связи)

В переводе с греческого нейрон, или как его еще называют неврон, означает «волокно», «нерв». Нейрон – это специфическая структура в нашем организме, которая отвечает за передачу внутри него любой информации, в быту называемая нервной клеткой.
Нейроны работают при помощи электрических сигналов и способствуют обработке мозгом поступающей информации для дальнейшей координации производимых телом действий.

Эти клетки являются составляющей частью нервной системы человека, предназначение которой состоит в том, чтобы собрать все сигналы, поступающие из вне или от собственного организма и принять решение о необходимости того или иного действия. Именно нейроны помогают справиться с такой задачей.

Каждый из нейронов имеет связь с огромным количеством таких же клеток, создаётся своеобразная «паутина», которая называется нейронной сетью. Посредством данной связи в организме передаются электрические и химические импульсы, приводящие всю нервную систему в состояние покоя либо, наоборот, возбуждения.

К примеру, человек столкнулся с неким значимым событием. Возникает электрохимический толчок (импульс) нейронов, приводящий к возбуждению неровной системы. У человека начинает чаще биться сердце, потеют руки или возникают другие физиологические реакции.

Мы рождаемся с заданным количеством нейронов, но связи между ними еще не сформированы. Нейронная сеть строится постепенно в результате поступающих из вне импульсов. Новые толчки формируют новые нейронные пути, именно по ним в течение жизни побежит аналогичная информация. Мозг воспринимает индивидуальный опыт каждого человека и реагирует на него. К примеру, ребенок, схватился за горячий утюг и отдернул руку. Так у него появилась новая нейронная связь.

Стабильная нейронная сеть выстраивается у ребенка уже к двум годам. Удивительно, но уже с этого возраста те клетки, которые не используются, начинают ослабевать. Но это никак не мешает развитию интеллекта. Наоборот, ребенок познает мир через уже устоявшиеся нейронные связи, а не анализирует бесцельно все вокруг.

Даже у такого малыша есть практический опыт, позволяющий отсекать ненужные действия и стремиться к полезным. Поэтому, например, так сложно отучить ребенка от груди — у него сформировалась крепкая нейронная связь между приложением к материнскому молоку и удовольствию, безопасности, спокойствию.

Познание нового опыта на протяжении всей жизни приводит к отмиранию ненужных нейронных связей и формированию новых и полезных. Этот процесс оптимизирует головной мозг наиболее эффективным для нас образом. Например, люди, проживающие в жарких странах, учатся жить в определенном климате, а северянам нужен совсем другой опыт для выживания.

Электрохимическая машина

Человеческий мозг весит всего полтора килограмма, в которые «помещаются» около 100 млрд клеток. Большинство из них – нейроны
. Принцип работы этих клеток примерно такой же, как у обычного электрического выключателя. У нейронов есть состояние покоя (выключено) и активное состояние (включено), при котором электрический импульс передается дальше по «проводу». Каждый нейрон состоит из тела клетки, «провода» –
аксона
, на котором есть своеобразный «контакт» –
синапс
. Посредством него нейрон соединяется с другим нейроном. Для этого в нейронах производятся особые химические вещества –
нейромедиаторы
. К ним относятся, например, адреналин, дофамин и другие. Различные нейроны используют и разные химические вещества. Выброс нейромедиаторов для вызова других нейронов происходит в синапсе. Кстати, все нервные клетки способны генерировать электрический разряд, общая мощность которого может достигать
60 ватт
. Электрическая активность головного мозга – это один из важных показателей его работы. Ее можно измерить при помощи специального устройства – электроэнцефалографа (ЭЭГ).

Сколько нейронов в мозге

Нервные клетки в составе головного мозга занимают порядка 10 процентов, остальные 90 процентов это астроциты и глиальные клетки, но их задача заключается лишь в обслуживании нейронов.

Подсчитать «вручную» численность клеток в головном мозге также сложно, как узнать количество звезд на небе.

Тем не менее ученые придумали сразу несколько способов для определения количества нейронов у человека:

• Рассчитывается число нервных клеток на небольшой части мозга, а затем, количество умножается пропорционально полному объему. Исследователи исходят из постулата о том, что нейроны равномерно распределены в нашем мозге.
• Происходит растворение всех мозговых клеток. В результате получается жидкость, в составе которой можно увидеть клеточные ядра. Их можно посчитать. При этом служебные клетки, о которых мы сказали выше, не учитываются.

В результате описанных экспериментов установлено, что число нейронов в головном мозге человека — 85 миллиардов единиц. Ранее, на протяжении многих веков считалось, что нервных клеток больше, порядка 100 миллиардов.

Какие процессы контролируют разные полушария?

Значительная часть мозга относится к двум полушариям – правому и левому. Они выполняют разные функции. Правое полушарие отвечает за группировку информации, левое – за ее анализ. Например, правое полушарие «видит» машину и признает, что это действительно машина. А левое – «определяет», что это не просто машина, а машина соседа.
Трезвый ум до глубокой старости

При деменции человек постепенно утрачивает свои высшие психические функции: память, речь, внимание, интеллект. Узнайте, что такое деменция и как предотвратить это заболевание.

Распространено мнение, что правое полушарие отвечает за восприятие абстрактных вещей (цвет и форма), а левое – за математические способности, логику и речь. Исследователи находят все новые и новые доказательства такой дифференциации. Пока же совершенно точно ученые могут сказать только то, что правое полушарие управляет левой половиной тела, а левое – правой.

Строение нейрона

На рисунке приведено строение нейрона. Он состоит из основного тела и ядра. От клеточного тела идет ответвление многочисленных волокон, которые именуются дендритами.

Мощные и длинные дендриты называются аксонами, которые в действительности намного длиннее, чем на картинке. Их протяженность варьируется от нескольких миллиметров до более метра.

Аксоны играют ведущую роль в передаче информации между нейронами и обеспечивают работу всей нервной системы.

Место соединения дендрита (аксона) с другим нейроном называется синапсом. Дендриты при наличии раздражителей могут разрастись настолько сильно, что станут улавливать импульсы от других клеток, что приводит к образованию новых синаптических связей.

Синаптические связи играют существенную роль в формировании личности человека. Так, личность с устоявшимся позитивным опытом будет смотреть на жизнь с любовью и надеждой, человек, у которого нейронные связи с негативным зарядом, станет со временем пессимистом.

Виды нейронов и нейронных связей

Нейроны можно обнаружить в различных органах человека, а не исключительно в головном мозге. Большое их количество расположено в рецепторах (глаза, уши, язык, пальцы рук – органы чувств). Совокупность нервных клеток, которые пронизывают наш организм составляет основу периферической нервной системы. Выделим основные виды нейронов.

Слаженная работа нейронов трех типов выглядит так: человек «слышит» запах шашлыка, нейрон передает информацию в соответствующий раздел мозга, мозг передает сигнал желудку, который выделяет желудочный сок, человек принимает решение «хочу есть» и бежит покупать шашлык. Упрощенно так это действует.

Самыми загадочными являются промежуточные нейроны. С одной стороны, их работа обуславливает наличие рефлекса: дотронулся до электричества – отдернул руку, полетела пыль –зажмурился. Однако, пока не объяснимо как обмен между волокнами рождает идеи, образы, мысли?

Единственное, что установили ученые, это тот факт, что любой вид мыслительной деятельности (чтение книг, рисование, решение математических задач) сопровождается особой активностью (вспышкой) нервных клеток определенного участка головного мозга.

Есть особая разновидность нейронов, которые именуются зеркальными. Их особенность заключается в том, что они не только приходят в возбуждение от внешних сигналов, но и начинают «шевелиться», наблюдая за действиями своих собратьев – других нейронов.

Функции нейронов

Без нейронов невозможна работа организма человека. Мы увидели, что эти наноклетки отвечают буквально за каждое наше движение, любой поступок. Выполняемые ими функции до настоящего времени в полной мере не изучены и не определены.

Существует несколько классификаций функций нейронов. Мы остановимся на общепринятой в научном мире.

Функция распространения информации

Данная функция:

• является основной;
• изучена лучше остальных.

Суть ее в том, что нейронами обрабатываются и переносятся в головной мозг все импульсы, которые поступают из окружающего мира или собственного тела. Далее происходит их обработка, подобно тому, как работает поисковик в браузере.

По результатам сканирования сведений из вне, головной мозг в форме обратной связи передает обработанную информацию к органам чувств или мышцам.

Мы не подозреваем, что в нашем теле происходит ежесекундная доставка и переработка информации, не только в голове и на уровне периферической нервной системы.

До настоящего времени создать искусственный интеллект, который бы приблизился к работе нейронных сетей человека, не удалось. У каждого из 85 миллиардов нейронов имеется, как минимум, 10 тысяч обусловленных опытом связей, и все они работают на передачу и обработку информации.

Функция аккумуляции знаний (сохранения опыта)

Человек обладает памятью, возможностью понимать суть вещей, явлений и действий, которые он единожды или многократно повторял. За формирование памяти отвечают именно нейронные клетки, точнее нейротрансмиттеры, связующие звенья между соседними нейронами.

Таким образом, за память отвечает не какая-то отдельная часть мозга, а маленькие белковые мостики между клетками. Человек может потерять память, когда произошло крушение этих нервных связей.

Функция интеграции

Данная функция позволяет взаимодействовать между собой отдельным долям головного мозга. Как мы уже сказали, сигналы от разных органов чувств поступают в разные отделы мозга.

Нейроны посредством «вспышек» активности передают и принимают импульсы в разных частях мозга. Так происходит процесс появления мыслей, эмоций и чувств. Чем больше таких разноплановых связей, тем эффективнее человек мыслит. Если человек способен к размышлениям и аналитике в определенном направлении, то он будет хорошо соображать и в другом вопросе.

Функция производства белков

Нейроны – настолько полезные клетки, что не ограничиваются только передаточными функциями. Нервные клетки вырабатывают необходимые для жизни человека белки. Опять же ключевую роль в производстве белков имеют нейротрансмиттеры, которые отвечают за память.

Всего в невронах индуцируется порядка 80 белков, вот основные из них, влияющие на самочувствие человека:

• Серотонин – вещество, вызывающее радость и удовольствие.
• Допамин – ведущий источник бодрости и счастья для человека. Активизирует физическую активность, помогает проснуться, переизбыток может привести к состоянию эйфории.
• Норадреналин – это «плохой» гормон, вызывающий приступы ярости и гнева. Наряду с кортизолом его называют гормоном стресса.
• Глутамат – вещество, отвечающие за хранение памяти.

Прекращение выработки белков или их выпуск в недостаточном количестве способны привести к тяжелым заболеваниям.

Библиотека мозга

Елена Клещенко «Химия и жизнь» №12, 2012

По материалам доклада члена-корреспондента РАН и РАМН Константина Владимировича Анохина

на Пятой Международной конференции по когнитивной науке, которая прошла в Калининграде в июне 2012 года. К. В. Анохин — руководитель отдела нейронаук НИЦ «Курчатовский институт», заведующий лабораторией нейробиологии памяти Института нормальной физиологии РАМН.

Расцвет или кризис?

Возможно, самой интересной областью биологии сейчас становятся нейронауки и когнитивные науки — исследования мозга и разума. (Когнитивность, от латинского cognitio

, «познание, изучение, осознание», — способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.) Заголовки многих докладов из тех, что собирают полные залы на конференциях с самым плотным графиком, украшены уже не спиралью ДНК, а схематическим изображением головного мозга — хотя докладчики, конечно, не обходятся без молекулярной биологии и генетики.

В последние несколько десятилетий науки о мозге сильно продвинулись вперед. Даже неспециалисты знают о современных методах, с помощью которых получают изображения мозга, наблюдают за изменениями активности отдельных его участков — таких, как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Возможности этих методов совершенно изменили и клинические, и нейрофизиологические исследования. Мы всё больше узнаем о генах, отвечающих за нормальное развитие центральной нервной системы (или за отклонения от нормы), о тонких механизмах передачи сигналов между нейронами. Создается впечатление, что мы стоим на пороге еще более грандиозных открытий.

Прозрачный мозг мыши, оптически просветленный для детекции флуоресценции нейронов (справа

).
Слева
мозг мыши, зафиксированный обычным способом

С другой стороны, даже специалисты говорят о кризисе нейронаук и когнитивных наук. Говорил об этом и К. В. Анохин. Несмотря на все блестящие достижения, важнейшая задача, стоящая перед науками о мозге, да и перед науками о жизни в целом, не решена — у нас нет ответа на вопрос, как работает человеческий мозг.

«Я бы воспользовался словами Эдварда Уилсона: «Существующая фрагментация знания и вызванный ею хаос в философии — не отражение реального мира, а артефакты нашего образования». Нигде это не видно настолько сильно, как в науках о мозге. В значительной мере это связано с тем, что огромный массив данных никоим образом не обобщен. В год выходит около 200 тысяч работ, посвященных когнитивным функциям, психологии, функциям мозга, нейронаукам. Общее количество работ в этой области достигает четырех миллионов — никто не может прочитать их все. На съезде «Neuroscience

», который ежегодно проводится в США, в 2011 году было представлено около 20 тысяч постеров. Если ширина каждого из них 2 м, это 40 километров информации. Но все эти работы страдают эмпиричностью подхода: каждый обращается к своим проблемам, и, попросив десять ведущих ученых рассказать о том, как работает мозг, мы получим десять различных рассказов. Нет единой общепризнанной теории, которая объясняла бы, как мозг управляет поведением, что представляют собой высшие психические функции — память, внимание, мышление, сознание. Сравнивая науку о мозге с другими областями знания — это как если бы физика не имела развитой теории материи и энергии. Благодаря теории физика делает предсказания, которые подтверждаются через 50 лет после того, как они были выдвинуты. Мы не имеем подобной теории в области изучения мозга», — отмечает К. В. Анохин.

Итак, сейчас в первую очередь нужны не новые факты в дополнение к огромной груде уже известных, а эмпирически проверяемая теория — каркас, который упорядочил бы имеющиеся сведения и определил место для тех фактов, что будут установлены в дальнейшем. Точно так же, как это произошло в биологии XIX века, когда пестрый хаос сведений о бесконечном разнообразии живой природы упорядочила дарвиновская теория.

В последнее время стало ясно, что основную роль в работе мозга играют ансамбли нейронов — «команды», состоящие из множества клеток, которые находятся в различных анатомических областях мозга, но работают сообща. Нейроны одного ансамбля взаимодействуют между собой, различные ансамбли — друг с другом. Теория работы мозга как целого должна объяснить, каким образом возникают подобные ансамбли в ходе индивидуального развития, каково их эволюционное происхождение, как они управляют поведением. Она должна развить специфический язык, описывающий такие ансамбли, их классификацию, внутри- и межсистемные связи. Наконец, теория должна предложить решение главной проблемы — структурных и функциональных основ высших функций мозга, включая восприятие, память, познание, сознание.

Третья опорная точка

Выдающийся биолог, нобелевский лауреат Джеральд Эдельман в одной из своих книг назвал три загадки, связанные между собой, которые должна решить современная биология: индивидуальное развитие формы, эволюция формы, основы поведения.

Установлением связи между эмбриологией и эволюцией мы во многом обязаны А. Н. Северцову и его ученику И. И. Шмальгаузену. Северцов указал на эволюционную роль изменений в индивидуальном развитии. Шмальгаузен, развивая теорию стабилизирующего отбора, утверждал, что ненаследуемые адаптивные модификации при постоянстве внешних условий постепенно заменяются сходными по фенотипическому выражению мутациями. Модификации прокладывают путь для будущих генетических перестроек.

Сейчас это называется эффектом Болдуина (термин ввел Джордж Симпсон в 1953 году), хотя правильнее было бы «эффект Моргана — Осборна — Болдуина». Психолог Джеймс Болдуин, эволюционист, занимающийся проблемами поведения, Конвей Ллойд Морган и палеонтолог Генри Осборн независимо друг от друга и одновременно, в 1896 году, предложили одну и ту же идею. Упрощенно и в современной терминологии ее можно изложить примерно так. Признак, полезный в определенных условиях, сначала появляется за счет модификационной изменчивости. Животные, переселившиеся из леса на равнину и преследуемые хищниками, будут совершенствоваться в спринтерском беге и регулярно оглядывать горизонт. Преимущество получат лучшие бегуны, а также самые бдительные, впечатлительные и зоркие, те, кто побежит первым, — такие отличия могут появиться и без генетической базы. Но если популяция останется на этой равнине надолго и условия не изменятся, то постепенно в ней вырастет частота особых вариантов генов мышечного белка, генов, ответственных за повышенное выделение адреналина, за развитие участков мозга, связанных с повышенной бдительностью. Таким животным всё равно нужно обучаться полезным формам поведения, но обучение идет у них быстрее, чем у их предков — или у их родичей, оставшихся в безопасном лесу. Теперь они отличаются от этих родичей уже и в генетическом отношении. Навык необязательно превращается в инстинкт (как утверждают противники адаптивной значимости эффекта Болдуина), скорее усиливается предрасположенность к усвоению навыка.

Можно сказать, что эффект Болдуина возвращает в теорию эволюции важное достоинство ламарковской теории — активную роль организма, при этом не нарушая принципов естественного отбора и не вводя наследование приобретенных признаков.

Эффект Болдуина постулирует связь между обучением и эволюцией. Первый шаг — обучаясь, индивид изменяет свой фенотип, чтобы повысить приспособленность. Если новые признаки полезны, они распространяются в популяции. Второй шаг — в неизменных условиях естественный отбор сохраняет врожденные признаки, которые замещают приобретенные или ускоряет их приобретение, ведь плата за обучение в природе бывает высокой. Приобретенные признаки не наследуются, как у Ламарка, но со временем получают генетическую «поддержку» (по: R. Suzuki, T. Arita, «Biosystems», 2004, 77, 1–3, 57–71)

Основным тезисом теории Шмальгаузена было то, что не изменения генома определяют ход эволюции, — это эволюция, в том числе и фенотипическая пластичность, в дальнейшем определяет эволюцию генома. Фенотипы — наши организмы, их активная деятельность — ведущие, а геном следует за ними. В конце 90-х годов прошлого века современная эволюционная биология вновь соединилась с биологией развития — эта область получила название «эво-дево», от evolution

и
development
(развитие). Стоит заметить, что работы Северцова и Шмальгаузена, как предшественников, не были забыты.

Однако, по мнению К. В. Анохина, в современном синтезе не хватает третьего элемента, упомянутого Эдельманом, — роли нервной системы и активного поведения. Можно предположить, почему классики не уделили этому элементу внимания: ни Северцов, ни Шмальгаузен не были специалистами в области физиологии или этологии. Но когда речь идет о развитии и работе мозга, без этого фактора строить дальнейшие рассуждения невозможно.

Рассмотрим, например, с точки зрения эффекта Болдуина функциональные системы нейронов, те ансамбли клеток, о которых говорилось в конце предыдущей главки, — распределенные по различным структурам мозга, но задействованные в решении одной задачи. Представим себе, что условия, в которых обитает популяция, так или иначе изменились — климат стал теплее или холоднее, исчезли одни пищевые ресурсы, появились другие. Организмы, обладающие нервной системой, не только подвергаются отбору по фиксированным признакам (таким, как величина туловища или скорость обмена веществ, оптимальная для нового температурного режима) — они способны демонстрировать различные реакции на одну и ту же ситуацию при ее повторениях, обучаться, находить новые решения. При этом нервная система животного формирует новые конфигурации нейронов, образованные совместным участием многих структур в решении одной проблемы. Они активируются в момент решения и могут снова активироваться при новом появлении той же проблемы. (Как связаны кратковременная и долговременная память с изменениями в структуре межнейронных контактов — синапсов, показал нобелевский лауреат 2000 года Эрик Кандель в экспериментах на морском моллюске аплизии, а затем на мышах, см., например, «Химию и жизнь», 2001, №11.)

В отличие от изменений на уровне генома, новые навыки приобретаются быстро, на протяжении жизни одного поколения. Но если условия остаются неизменными и всё новые и новые поколения сталкиваются с той же проблемой, то накапливаются генетические изменения, делающие обучение полезному поведению чуть более быстрым. При этом могут изменяться и внешние анатомические признаки, и структуры мозга, и биохимия.

Повторим еще раз: это не означает, что когнитивная деятельность заменяется инстинктом, готовой программой. Хороший пример того, как может действовать эффект Болдуина в этой области, — формирование человеческой речи (кстати, о проявлении эффекта Болдуина в происхождении речи на той же конференции рассказывала кандидат филологических наук С. А. Бурлак; о ее книге см. «Химию и жизнь», 2011, №6).

Умение говорить у человека не врожденно, в отличие, например, от «танцев» пчел, с помощью которых разведчица сообщает, в какой стороне от улья источник пищи. Однако предрасположенность к обучению речи, к обмену информацией с сородичами у человеческих детенышей уникальна, и она заложена на генном уровне. Те коммуникативные задачи, которые наши далекие предки, сговариваясь перед охотой, решали, вероятно, с огромным трудом, для современного человека не представляют сложности. Мы — самый социальный вид Земли, обмен информацией друг о друге для нас — как вода для рыбы, мы даже не замечаем, что делаем это. Мы должны учиться общению, это не дается нам от рождения, но мы сверхспособные ученики.

Таким образом, говоря о мозге, начинать можно с генома, но затем необходимо подниматься на более высокие структурные и функциональные уровни. В своей лекции К. В. Анохин выделил три таких уровня. Первый — геном и его роль в развитии и работе мозга. Второй — коннектом, совокупность связей между отделами мозга и единичными нервными клетками, «электронная схема» нервной системы. И наконец, третий — когнитом, по определению докладчика, «библиотека произведений мозга» — сумма элементов индивидуального опыта.

От генома к коннектому

Рассказ о мозге и геноме можно начать с Алленовского института мозга. Пол Аллен, видный филантроп и один из основателей «Майкрософта», в начале XXI века обратился к ученым с вопросом, какую проблему в биологии они считают наиболее важной. Сошлись на том, что важнее всего было бы узнать, каким образом гены создают мозг. На решение этой проблемы Аллен выделил 100 миллионов долларов, и в 2003 году в Сиэтле был создан институт. Первый его проект, атлас транскриптома мозга мыши, завершился в 2006 году. Транскриптом — сумма всех транскриптов, то есть матричных РНК, которые считываются с активных генов. В отличие от генома, транскриптом различных клеток и тканей не одинаков — набор активных генов зависит от типа клетки и ее функционального состояния. С помощью специальных методов исследователи определили все матричные РНК в различных участках мышиного мозга и получили трехмерную карту активности генов. Следующий проект был посвящен мозгу человека, и он завершился совсем недавно, в сентябре 2012 года («An anatomically comprehensive atlas of the adult human brain transcriptome», «Nature

», 2012, 489, 7416, 391–399, doi:10.1038/nature11405).

В рамках проекта было получено множество интересных результатов. Выяснилось, например, что транскриптомы коры правого и левого полушарий у человека не имеют существенных различий. Удивительно большим оказалось также сходство между транскриптомами мозга двух людей (пока ученые работали всего с двумя образцами). Но что особенно примечательно — теперь мы знаем, что в мозге взрослого человека экспрессируется около 84% всех его генов и у мыши примерно столько же. Это очень много: в построение любого другого органа вовлечен лишь небольшой процент генов. А если учесть еще и гены, которые были активными в процессе развития нервной системы, но потом замолкли, — создается впечатление, что практически весь геном находится на службе у мозга. Отсюда ясно, что центральная нервная система заслуживает самого пристального внимания эволюционной биологии. У нас нет другого органа, столь важного для адаптации и столь заметного для отбора.

Экспрессия генов в мозге самца мыши возрастом 56 дней: слева ген Fos

в мозжечке, справа ген Pcp4 в гиппокампе

Коль скоро транскриптомы у разных людей не слишком различаются (если, конечно, это не случайность, обусловленная малым размером выборки), возможно, следует подняться на уровень коннектома?

Понятие о коннектоме как совокупности всех связей в мозгу ввели в 2005 году. Ученики Эдельмана Олаф Спорнс, Джулио Тонони вместе с Рольфом Кёттером из Фогтовского института исследований мозга в Дюссельдорфе опубликовали программную статью, которая называлась «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека» («PLoS Computational Biology», 2005, 1 (4), e42. doi:10.1371/journal.pcbi.0010042). В том же году независимо от них Патрик Хагман в тезисах своей кандидатской диссертации использовал то же слово и дал то же определение: «Коннектом мозга — совокупность всех связей в нем как единое целое». Мы не можем понять, как работает прибор, пока не получим его схему.

Исследования в области коннектомики ведут несколько проектов, этой теме посвящены сотни научных работ. На смену лозунгу «Я — это мой геном» пришел новый: «Я — это мой коннектом». В самом деле, геном — это лишь точка отсчета, а карта связей в мозге человека — итог реализации генетической программы, взаимодействия индивида со средой, нечто более близкое к ответу на вопрос «что есть личность».

Бум в коннектомике сделало возможным в том числе и своевременное появление инструментов исследования. Серийные электронные микрофотографии позволяют восстановить картину связей между нейронами: кусочек нервной ткани нарезают на тончайшие срезы, получают микрофотографии и по ним восстанавливают трехмерную структуру сплетения нервных отростков. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что метод весьма трудоемок и пригоден для установления связей между клетками в локальных участках — проделать такую работу для целого мозга в обозримые сроки нереально.

Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans

— прозрачного червячка длиной около миллиметра. В качестве модельного объекта это замечательное животное предложил Сидней Бреннер (Нобелевская премия по физиологии и медицине 2002 года). Чем замечательна
C.elegans
— этот организм состоит из фиксированного числа клеток (1031 у взрослого самца, 959 у взрослой особи-гермафродита), и каждая из них знает свое место. Нейронов у нематоды 302, контактов между ними — 6–7 тысяч. При таких порядках величин удалось обойтись и микроконнектомикой. Предполагается, что в ближайшие годы будет расшифрован также коннектом дрозофилы (сотни тысяч нейронов). Мозг мыши состоит примерно из 70 миллионов нейронов (кора головного мозга — 4 миллиона), у человека — 86 миллиардов и 19–23 миллиарда соответственно. Путь впереди долгий…

Коротенький червячок с длинным именем Caenorhabditis elegans

— прекрасный модельный объект. Его геном был получен еще в 1998 году, а теперь настала очередь коннектома.
Справа внизу
— коннектом, наложенный на анатомию червя (в конструировании этой схемы приняли участие сотрудники Института систем информатики им. А. П. Ершова СО РАН),
слева
— схема связей, где каждая точка — нейрон, построенная по данным www.wormatlas.org

Но кроме микроконнектомики есть региональная коннектомика — исследование связей между разными структурами мозга, которые определяют их взаимоотношения, интеграцию, в конечном счете работу.

Для этого существуют несколько методов, один из самых популярных — трактография, или диффузионная тензорная визуализация (diffusion tensor image

, DTI). Методом магнитно-резонансной томографии прослеживается диффузия воды в тканях и клеточных структурах, в данном случае — в отростках нейронов. Таким способом определяют ход пучков нервных волокон и восстанавливают картину связей между разными областями живого мозга. А сетевые карты можно изучать методами теории графов и динамических систем, это уже переход к теории.

Структурную и функциональную сети человеческого мозга можно исследовать с помощью теории графов. Чтобы найти сетевые узлы, различными методами получают изображения мозга для структурной сети или используют данные электроэнцефалографии для функциональной сети (по: Nature Reviews Neuroscience
, 2009, 10, 186–198)

Один из крупнейших проектов, работающих в этом направлении, так и называется Human Connectome Project

. Он стартовал в 2009 году, рассчитан на пять лет и финансируется Национальным институтом здравоохранения США. В проекте участвуют 1200 взрослых добровольцев — пары близнецов, а также их братья и сестры примерно из 300 семей. Магнитно-резонансная томография дает структуру связей, высокоплотная электроэнцефалография позволяет получить функциональную сеть. Так для каждого участника составляются карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2022 году планируется полное секвенирование их геномов. Сравнение геномов и коннектомов идентичных близнецов и неидентичных братьев и сестер, вероятно, принесет новую информацию о вкладе генетики в формирование мозга.

Добавим, что коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Становится понятным, что многие из них, по сути своей, — коннектопатии, связанные не столько с разрушением тех или иных структур или областей мозга, сколько с нарушением связей.

Увидеть воспоминание

Наконец мы добрались до самого интересного: каким образом коннектом вмещает в себя когнитом, «библиотеку мозга»?

«Когнитом в нашем понимании, — рассказывает К. В. Анохин, — это весь набор когнитивных элементов мозга, которые составляют нашу личность. Мы полагаем, что каждый из этих элементов представлен в мозге, в нашем коннектоме, в виде функциональной системы. И в этом основная сложность исследования когнитома. Когнитивная единица не лежит на полочке той или иной структуры мозга, каждая из них — это распределенная сеть клеток, причем клетки одной структуры могут входить в самые разные элементы субъективного опыта. А каждый элемент субъективного опыта — масса синхронно активируемых в определенный момент нейронов в разных областях мозга. Элементы когнитома, так же, как и весь когнитом, — это не статическая картина, это постоянно развивающаяся система. В результате нового опыта, обучения в эту сеть добавляются те или иные новые элементы, меняющие как структуру когнитома, так и связи между уже существующими элементами».

Как можно обнаружить эти когнитивные единицы? Как выделить среди миллиардов нейронов мозга группу, отвечающую за элемент субъективного опыта, найти материальный носитель воспоминания, представления, навыка? Похоже на сюжет для фантастического рассказа — но это можно сделать и уже делается благодаря методам молекулярной и клеточной биологии, хорошо знакомым читателям «Химии и жизни». Эти методы не только помогают установить, какие генетические и биохимические механизмы отвечают за хранение информации в мозге, — они позволяют непосредственно наблюдать функциональные системы нейронов и даже вмешиваться в их работу, активировать или инактивировать. (И только после этого можно считать доказанным, что группа клеток действительно является хранилищем впечатления, результата мыслительного процесса или программы поведения.)

Один из таких методов развивают в отделе нейронаук Курчатовского института. Для выявления следов памяти в мозге может служить экспрессия «ранних» генов. Буквально через минуты после получения новой входящей информации в нейронах, которые будут ответственны за ее хранение, начинает синтезироваться матричная РНК этих генов. Их активность зависит от обучения, в фоновом режиме не наблюдается, и она необходима для формирования нового опыта. К. В. Анохин с сотрудниками изучают один из таких генов — c-fos

, известный также как протоонкоген, — с 80-х годов прошлого века (Н. Е. Малеева и соавт., «Генетика», 1989, 25, 1119–1121, см. также статью «Маршруты на карте мозга», «Химия и жизнь», 2004, №9). Можно сказать, что это ген столкновения с новизной. Новый внешний фактор, несоответствие событий ожиданиям, вообще всё, что требует включения когнитивного процесса, вызывает экспрессию ранних генов в отдельных нейронах. Эти-то гены и дают возможность картировать элементы субъективного опыта.

Оптоволоконная регистрация экспрессии генов in vivo

Для эксперимента нужны трансгенные мыши, у которых регуляторный элемент гена c-fos

управляет также геном зеленого флуоресцентного белка. В данном случае используется ген не собственно GFP, о котором мы не раз писали («В Сибирь за живым светом», «Химия и жизнь», 2012, №7), а EGFP,
enhanced green fluorescent protein
, — «улучшенного» зеленого флуоресцентного белка, который может экспрессироваться у млекопитающих. У этих мышей в клетках мозга, обрабатывающих новую информацию, — и только в них, поскольку в других клетках ранний ген не активируется, — появится флуоресценция при облучении синим или ультрафиолетовым светом. Например, если мышь, оказавшись в новой обстановке, ощупывает пол и стенки экспериментальной камеры усами-вибриссами, то засветятся клетки коры мозга, в которые приходят импульсы от тактильных рецепторов вибрисс.

Однако мышь, в отличие от червячка C. elegans

, велика и непрозрачна. Допустим, появился флуоресцентный белок во всех клетках одной функциональной системы, но как его подсветить, вызвав «ответное» свечение, и как зарегистрировать получившуюся картину? Еще раз напомним, что клеток, возможно, миллионы и они распределены по всему мозгу. Поэтому исследователи разработали методы, позволяющие просветлять мозг мыши — делать его прозрачным. (Большой вклад в разработку протоколов оптического просветления мозга внесла сотрудница лаборатории механизмов и технологий памяти отдела нейронаук Ольга Ефимова.)

А чтобы регистрировать свечение отдельных клеток в трехмерном мозге и получать трехмерную карту элемента индивидуального опыта, отдел нейронаук Курчатовского института в сотрудничестве с нижегородским Институтом прикладной физики создали специальную установку, которая позволяет фотографировать прозрачный мозг мыши послойно, с разрешением до 0,5 мкм. Метод называется «лазерная плосколучевая оптическая томография» (ЛПОТ): плоский луч лазера движется через мозг, помещенный в ванночку, и возбуждает флуоресценцию в микронном слое. Из стопочки этих срезов можно реконструировать трехмерную картину. Зеленые точки в целом мозге — созвездие нервных клеток, активных в определенном поведенческом опыте.

Лазерная плосколучевая оптическая томография

Можно пойти и глубже — например, рассмотреть распределение флуоресцирующих клеток в гиппокампе, структуре, ответственной за формирование памяти («Протез для воспоминаний», «Химия и жизнь», 2011, №8), найти в нем следы субъективного опыта, который получила мышь в последние минуты жизни.

Понятно, что живой мозг таким образом изучать нельзя, и это плохо. Когда нет возможности исследовать одно животное дважды, например в разных, но чем-то сходных ситуациях или в одной и той же, но в нескольких повторностях, — невозможно узнать, как формируются элементы когнитивного опыта, как они связаны между собой. Поэтому в отделе нейронаук Курчатовского института сейчас разрабатывают методы прижизненной регистрации свечения в глубине мозга, непосредственно в момент, когда животное получает тот или иной опыт. В мозг мыши вводят оптоволокно, легкий крепеж и длинный шнур не стесняют ее движений, и можно в течение нескольких дней следить, как меняется активность нейронов, например, при содержании мыши в темноте или стимуляции током.

Такая длительная регистрация позволяет выяснить, как перекрывается активность различных нейронов в разных эпизодах. Изучение таких нейронов может сыграть ключевую роль в построении теории мозга — вероятно, именно они отвечают за формирование связей между единицами когнитома. Сеть ассоциаций в нашем мозге может возникать именно благодаря «нейронам-хабам», входящим более чем в одну функциональную систему.

К. В. Анохин с сотрудниками предлагают рассматривать ассоциативную память как линейную и нелинейную. Линейная ассоциативная память — то, что мы со школьной скамьи знаем как павловский условный рефлекс. Когда собака получает пищу и слышит звонок одновременно либо с очень маленьким временным интервалом, два сигнала «встречаются» в одной нервной клетке. Но есть и долговременная память, которая позволяет нам ассоциировать события, разделенные во времени. Это возможно благодаря долговременным изменениям в нейронах. Событие, активировавшее нервную клетку, оставляет в ней след, в каких-то случаях на всю жизнь — изменяется активность генов этого нейрона, изменяется синтез белков. (Формирование линейной ассоциативной памяти от активности генов, как правило, не зависит.) Второе воздействие накладывается на уже измененные свойства нейрона, и таким образом один элемент опыта связывается с другим, пусть даже их разделяют месяцы или годы. Активируясь в рамках одной функциональной системы, нейрон активирует и другую — мы вспоминаем нечто имеющее отношение к новому событию, адресация к одной системе включает и другие, апеллирует к прошлому опыту.

Вероятно, именно таким образом в когнитоме формируются модули, специализированные к накоплению информации определенного типа, — например, модули запоминания лиц или других объектов, принадлежащих к одному классу. Определенный нейрон, участвующий в нескольких функциональных системах, которые объединены неким общим признаком, «накапливает» следы участия в каждой из ситуаций, и возникает явление, уже подтвержденное экспериментально, — когнитивная специализация нейронов.

Читатели, вероятно, встречали новостные сообщения о «нейроне Мэрилин Монро» или «нейроне Билла Клинтона» (работы Родриго Квиана Квироги с коллегами из университета Лейчестера, Великобритания). Конкретный нейрон активируется в ответ на предъявление фотографии президента США, его имени в тексте, карикатуры на него, а возможно, и на предъявление фотографии Моники Левински, если участник эксперимента знает, кто эта девушка и чем она себя прославила. Наверняка и у кошки имеются «нейрон мыши», «нейрон собаки» и т. п. Но существуют и нейроны квалий, категорий чувственного опыта, — так, в зрительной коре индивида, способного различать цвета, должен быть нейрон, который активируется при попадании в поле зрения красного объекта, чем бы этот объект ни был.

Возникает естественный вопрос: а что произойдет, если активировать клетки определенной функциональной системы? Почувствует ли кошка «призрак» мыши, а человек (пусть это будет фантастическое допущение — понятно, что такие опыты на людях невозможны) — фантом Билла Клинтона или Мэрилин Монро?

Синтетическая память

Технически это опять же вполне осуществимо. Можно подставить под регуляторные элементы раннего гена, активирующегося в нейроне при получении опыта, не ген флуоресцентного белка, а ген мембранного канала, который активируется светом. Если провести с таким трансгенным животным сеанс обучения, а потом «подсветить» его мозг с помощью того же оптоволокна — какова будет реакция?

Ответ на этот вопрос дала работа, выполненная группой исследователей под руководством нобелевского лауреата Сусуму Тонегава из Массачусетского технологического института (Xu Liu e.a., «Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall», Nature

, 2012, 484, 381–385, doi:10.1038/nature11028).

У трансгенных мышей вместе с геном c-fos

— тем самым, обнаруженным российскими учеными, — активировался ген ченнелродопсина (
channelrhodopsin
2). Это белок одноклеточных зеленых водорослей — для фотосинтезирующих организмов светочувствительность очень важна — из того же семейства GPC- рецепторов, что и родопсин человеческого глаза (см. статью о Нобелевской премии по химии в прошлом номере «Химии и жизни»).
Channel
значит «канал», и действительно, ченнелродопсин, в отличие от других рецепторов семейства, — одновременно и рецептор, и канал, пропускающий ионы сквозь мембрану. Если это мембрана нейрона, возникает деполяризация, то есть нейрон активируется. Что и требовалось получить: обучение «пометило» нейроны функциональной системы, заставив их синтезировать ченнелродопсин, и теперь именно этот нейронный контур можно включать по желанию экспериментатора, просто подавая свет на оптоволокно.

Мышей обучали бояться — помещали в незнакомую обстановку и ударяли током. В соответствующей группе клеток активировался ранний ген и синтезировался фоточувствительный ионный канал (см. рисунок на предыдущей странице). Затем мышь пересаживали в другую камеру, несхожую с первой на вид и на ощупь, и через оптоволокно освещали определенную область гиппокампа — зубчатую извилину; про нее известно, что она, помимо прочего, играет ключевую роль в запоминании пережитого страха. И мыши начинали бояться! Вероятно, им казалось, что они снова в той камере, где раньше испытали неприятные ощущения в лапках.

Так исследователи установили существование паттерна страха — клеток, вовлеченных в запоминание конкретного неприятного эпизода. Активируя этот паттерн, или функциональную систему, мы можем извлечь из хранилища воспоминания. Правда, сами исследователи воспользовались термином «энграмма», от греческого слова, означающего буквально «внутренняя запись». Этот термин предложил еще в начале ХХ века немецкий зоолог Рихард Земан для обозначения гипотетического следа памяти в мозге. Теперь слово «гипотетический» смело можно вычеркивать.

Схема эксперимента, в котором у мыши активировалось воспоминание о страхе. У трансгенных мышей вместе с геном c-fos

активируется также ген белка tTA. Этот белок, в свою очередь, взаимодействует с векторной конструкцией, которую вводят мышам в мозг, и в ней включаются гены флуоресцентного белка и ченнелродопсина. Нейроны, в которых произошла активация (то есть те, которые «запомнили» страх), благодаря ченнелродопсину повторно активируются при подсветке через оптоволокно, а благодаря флуоресцентному белку выглядят светящимися на микрофотографиях (
справа
)

Печальная подробность: статья об искусственной активации страха была отправлена в «Нейчур» 1 ноября 2011 года, а 25 октября в своей комнате в общежитии МТИ был найден мертвым Сатто Тонегава, сын нобелевского лауреата. Одаренный первокурсник, окончивший школу с отличием и серьезно увлекавшийся музыкой, по неизвестной причине покончил с собой за несколько дней до своего девятнадцатилетия. Возможно, отключение болезненных воспоминаний по жизненно важным показаниям — не такая плохая идея, как пишут фантасты? И в любом случае надо бы разобраться, что за программные сбои могут приводить юного человека к таким неправильным выводам…

Можно пойти еще дальше и генерировать в мозге подопытного животного синтетическую память — запись о том, чего не было. Такая работа тоже была опубликована весной этого года (Aleena R. Garner e. a., Generation of a synthetic memory trace, Science

, 2012, 335, 6075, 1513–1516, doi:10.1126/science.1214985). В этом опыте промотор
c-fos
управлял геном рецептора (снова из семейства GPCR!), который, реагируя с определенным химическим веществом, активировал нейрон. Такой трансгенной мыши позволяли обследовать безопасную камеру, а потом в другой обстановке давали ей препарат, активирующий рецепторы, и ударяли током. После этого мышь, снова помещенная во вторую камеру, испытывала страх только в том случае, если ей опять давали препарат — без препарата она ее не узнавала. По-видимому, это значит, что у мыши формируется гибридное воспоминание — она запоминает не реальную камеру, а некую смесь реальных сенсорных сигналов и синтетических — «призрачных» элементов первой камеры.

Мышь получает удар током, и одновременно ей дают препарат, который активирует группу нейронов, отвечающую за память о другой обстановке. В результате у нее формируется «гибридная» память о страхе: снова оказавшись во второй камере, она не узнает ее без фармакологической стимуляции

Это далеко не всё, о чем можно было бы рассказать, — каждая из упомянутых работ содержит обширный список литературы. С другой стороны, ясно, что исследования сети элементов индивидуального опыта делают лишь первые шаги. Мозг человека — самый сложный объект в известной нам части Вселенной, для его исследования потребуются такие методы и такие вычислительные возможности, которых у нас пока нет. Но это не значит, что их не будет никогда. Удивительные открытия нам еще предстоят.

Что можно почитать о нейронауках и когнитивных науках:
К. В. Анохин
. Генные зонды для картирования нервных сетей при обучении. Принципы и механизмы деятельности мозга человека. Л.: Наука, 1989.
Эрик Кандель
. В поисках памяти. Возникновение новой науки о человеческой психике. Перевод с англ. П. Петрова. М.: Астрель, Corpus. 2012.