Ученые исследуют мозг не одно столетие, но так и не раскрыли всех его тайн. Как смотрит на мозг современная наука, нам рассказал Владимир Архипов, доктор биологических наук, исполняющий обязанности руководителя лаборатории экспериментальной нейробиологии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино.
Что умеет мозг
Обычно на вопрос, для чего нужен мозг, отвечают: чтобы мыслить. На самом деле мозг нужен в первую очередь, чтобы управлять движениями. Мыслительная функция мозга носит второстепенный характер. Мозг очень хорошо умеет приспосабливаться к непонятным явлениям. Еще он умеет запоминать информацию, а потом вспоминать. Мозг отыскивает в памяти знакомую информацию за 200 миллисекунд. Однако не стоит удивляться, если порой вы не можете вспомнить имя любимого актера. Эта совсем не важная для вас информация. Мозг ведь не для того, чтобы судорожно копаться в памяти, когда захочется, а чтобы сделать нашу деятельность адекватной, оптимизированной к текущей ситуации. Удивляться нужно, к примеру, тому, что вы, встретив через много лет знакомого, тут же вспомнили, как его зовут.
Самое поразительное в работе мозга — это речь. Каждый произнесенный нами звук задействует большое количество мышц. Перед тем как извлечь звук, эти мышцы настраиваются. Правильное употребление склонений, спряжений, сочетаний слов — все это контролирует мозг.
Мы много еще не знаем о мозге, но темпы развития нейронауки поражают. Благодаря современным методикам, ученые наблюдают мелкие детали мозга с большим разрешением, регистрируют работу мозговых структур в реальном времени, отслеживают процессы, которые длятся секунды и доли секунд. С помощью функционального МРТ можно определить, к примеру, когда человек лжет. Мозг все время сравнивает информацию с тем, что есть в памяти, пытаясь понять, он знаком с ней или нет. Мозг задействует совершенно разные структуры в зависимости от того, лжем мы или говорим правду.
Наблюдая за крысой в лабиринте, можно заранее сказать, выберет она правильный поворот или ошибется. У животного в мозгу сначала создается некий план, а затем он реализуется. А ведь долгое время считали, что только человек способен мыслить. Раньше, изучая поведение, большую роль придавали рефлексам, которые запускаются в ответ на стимулы. Сейчас в науке используют понятия мотива, цели, стремления, задачи. Совсем не внешний стимул запускает действие, а внутренняя мотивация. Это доказывают многочисленные эксперименты на самых разных животных, основанные на подкреплении действия, пищевой, питьевой или оборонительной мотивации, избегательном или норковом рефлексах.
О любознательности
Еще одно удивительное свойство мозга — постоянный поиск новой информации. Это выражается в ориентировочно-исследовательском поведении. Например, известно, что изолированные популяции животных вырождаются, потому что ее особи скрещиваются только между собой. Такими изолированными популяциями живут кроты, потому что они не могут передвигаться на большие расстояния. Казалось бы, кроты должны вырождаться, но этого не происходит. Почему? Оказывается, в семьях кротов всегда есть где-то 5% особей, которые отлынивают от исполнения обычных функций, часто выходят на поверхность, куда-то смотрят и при случае убегают. Во время побега они встречаются с другими семействами кротов, скрещиваются, и таким образом происходит обогащение генетическим материалом. Это верно и для человеческих обществ. Среди людей всегда находятся индивиды, настолько увлеченные поиском нового, неизведанного, что посвящают исследовательской деятельности большую часть своей жизни.
Выдающий исследователь мозга и памяти — Ольга Сергеевна Виноградова, много лет работавшая в Пущино, в Институте биофизики, посвятила свою жизнь изучению гиппокампа — отдела мозга, который играет важнейшую роль в механизмах памяти и внимания. Она полагала, что гиппокамп отвечает, прежде всего, за ориентировочно-исследовательское поведение. Допустим, в классную комнату кто-то зашел. Все школьники с любопытством повернулись узнать: кто, зачем, почему. Это и есть одна из форм ориентировочно-исследовательского поведения. По мнению О.С. Виноградовой, оно служит мерилом сложности нервной системы. Чем более развит мозг, тем богаче репертуар такого поведения. Можно сказать, что вся человеческая культура обязана своим созданием этому свойству мозга, неустанному поиску новой информации. Почему новизна важна? Потому что мозг постоянно контролирует внутреннюю и внешнюю среду с помощью многочисленных рецепторов — датчиков, которые распределены по всему организму. Известно, что если сенсорные системы организма не получают раздражителей, человек быстро погружается в дремотное состояние и засыпает. Такое решение принимает мозг, потому что ему не хватает новой информации. Мозг не просто настроен получать и искать информацию, он стремится к ее поиску. «Хлеба и зрелищ!» — популярное требование людей. То есть, важнейшие потребности людей не только витальные, обеспечивающие существование тела, ему также необходимы яркие впечатления — зрелища, несущие новую информацию для мозга.
Мой ровесник, нейрон
При рождении в мозге нейронов с избытком. Они сразу же начинают устанавливать связи друг с другом, и через несколько дней половина из них, которая оказалась вне связей, погибает. Выжившие нейроны остаются до конца наших дней. Все другие клетки в организме обновляются регулярно. Кожа отшелушивается, костные клетки заменяются, а нейроны живут и стареют с нами. Если нейрон гибнет, то навсегда. Стареющие нейроны представляют собой печальное зрелище. Как и люди, они стареют сразу по многим параметрам. Мы можем бороться с отдельными процессами старения, но полностью его прекратить не можем. И все же новые нейроны образуются. Теперь известно, что это происходит, в основном, в двух отделах мозга — обонятельной луковице и зубчатой фасции гиппокампа. Нейроны преобразуются из стволовых клеток, которые самостоятельно перемещаются в эти отделы. Почему нейрогенез происходит в ограниченной степени, мы до конца не знаем, хотя, если управлять этим процессом, есть надежда научиться «ремонтировать» поврежденные структуры мозга, заменяя их элементы.
Каждый нейрон связан с сотнями и тысячами других нейронов многочисленными отростками. Иногда эти отростки очень длинные, например, хоботом слона управляют нейроны с длиной аксона, сопоставимой с размерами хобота. Известно также, что нейронные связи могут быстро меняться, в течение нескольких минут, как это происходит, в частности, в коре больших полушарий. Отростки постоянно «ощупывают» соседей, и если нейрон погиб, то связанные с ним отростки ищут другие мишени, иногда даже замыкаясь на себя. Это показано, например, для нейронов зубчатой фасции в условиях, приводящих к патологии — к перевозбуждению нейрональных сетей, в результате чего возникает эпилептический очаг.
Как болеют нейроны
Мозг похож на страну, населенную нейронами, живущими каждый по-своему. Они стремятся выжить, поэтому устанавливают контакты с другими нейронами, они добывают глюкозу и кислород, чтобы питаться, иногда они заболевают и гибнут. Нейроны могут страдать от различных заболеваний, так же, как и целый организм. Некоторые нейроны могут долго болеть, а потом выздороветь. Для ученых это хороший знак, значит, их можно лечить разными лекарствами.
В нашей лаборатории уже несколько лет идут эксперименты с токсином каинатом. После Второй мировой войны в Японии это вещество выделяли из морских водорослей и использовали для лечения гельминтозов у детей. Однако впоследствии оказалось, что при передозировке оно приводит к возникновению судорог, и в качестве медикаментозного средства его использование невозможно. Теперь каинат служит ученым для моделирования нейродегенеративных заболеваний. Мы вводим его в мозг крысам, и смотрим, как он действует на нейроны гиппокампа. Причем используем очень низкую дозу, чтобы не допустить у животных судорог, которые сами губительны для нейронов. Оказалось, что некоторые нейроны в отдельных областях гиппокампа «выздоравливают», а некоторые — погибают спустя несколько недель и даже месяцев. Зная, что каинат воздействует на рецепторы глутамата, возбуждающей аминокислоты, которая служит нейромедиатором, мы полагаем, что нейроны гибнут от чрезмерного перевозбуждения и происходящих при этом патологических процессов — дисбаланса ионов, нарушения работы митохондрий, синтеза различных белков. При этом запускаются все три типа клеточной гибели — апоптоз, некроз, аутофагия. Чтобы снять перевозбуждение нейронов, мы предложили лечение веществами, действующими одновременно на рецепторы, размещенные в разных частях синапса, на так называемые метаботропные рецепторы глутамата. Такое лечение оказалось достаточно эффективным.
Сейчас мы переключились на работу с другим нейротоксином — хлоридом триметилолова (TMT). Это хорошо растворимое в воде ядовитое вещество легко проникает в мозг через легкие или желудок. Тем не менее его используют в сельском хозяйстве, при изготовлении красителей и пластмасс. ТМТ вызывает у человека головокружение, бессонницу, судороги, ухудшает память. Последствия отравления человека можно облегчить, но через несколько месяцев, и даже через год, могут проявиться различные нейрологические нарушения, хотя следов токсина в организме уже не будет. Мы изучили, как ТМТ действует на мозг животных. Оказалось, что более разнообразно, чем каинат. При отравлении ТМТ тоже наблюдается перевозбуждение глутаматных рецепторов, а кроме того, воспаление нейронов, которое происходит из-за сбоя в работе микроглии — специальных клеток, уничтожающих чужеродные для мозга клетки. Интересно, что некоторые повреждения, вызванные ТМТ, могут со временем исчезать. Если узнать, за счет каких процессов это происходит, можно предложить новые подходы к лечению нейродегенеративных заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, старческие деменции.
Но почему нейрон может погибнуть спустя недели и месяцы после повреждающего воздействия? Это один из самых интересных и нерешенных вопросов, Что происходит с нейроном в это время и как ему помочь «выздороветь»? Какова роль клеточной памяти в этих процессах?
Создается впечатление, что нейроны способны запомнить это воздействие, и оно, в конце концов, оказывает свое разрушительное действие. Если провести аналогию с целым организмом, то можно сказать, что хронический стресс, переживаемый нейронами, вызывает и поддерживает патологические процессы, и в результате происходит что-то вроде ускоренного старения. Нейроны специально настроены на запоминание, они значительно отличаются друг от друга в зависимости от того, какая у них история. Вместе со мной живут нейроны уже более 60 лет. Представляете, сколько событий за это время они пережили, и как они поменялись.
Мы считаем, что многие случаи нейродегенерации хоть и вызваны разными причинами, имеют много общего. Изучая действие токсинов на животных, мы пытаемся понять детальные причины патологических процессов и предложить средства, помогающие нейронам не только выжить в экстремальной ситуации, но и замедлить старение, сохранив возможности на уровне активного, зрелого возраста.