Устранение нейроповреждений сверхкороткими лазерными импульсами

Повреждения нейронов (нейроповреждения) приводят к необратимым изменениям в клетках, органах и функциях организма. Они происходят вследствие:

• травм,
• инфекционных и воспалительных процессов,
• интоксикации,
• наследственных заболеваний,
• неспецифических патологий (гипогликемии, анемии, снижения мозгового кровообращения, рассеянного склероза и др.).

Канадские ученые недавно разработали новый универсальный метод восстановления связей между нейронами с применением лазера, излучающего фемтосекундные (предельно короткие) лазерные импульсы. Универсальность метода в том, что его можно применить для любого типа клеток, в том числе и тех, посредством которых передается информация.

Миф 1: В человеческом мозге сто миллиардов нейронов

Нейроны это фундаментальные строительные кирпичики любой нервной системы. Эти специфические клетки, древовидные отростки которых расходятся во все стороны и соприкасаются с такими же отростками соседних клеток, формируют огромную электрическую и химическую сеть, которая является нашим мозгом, и обрабатывают информацию о нашем окружении, управляют нашими действиями в соответствии с этим самым окружением, и даже контролируют наши неосознаваемые телесные функции.

Учитывая какую незаменимую роль играют эти клетки, вы можете предположить, что у учёных есть пара идей относительно того, сколько же именно нейронов заключено у нас между ушей; и многие годы мы думали, что так оно и есть. Пролистайте несколько учебников по нейробиологии, пару научных исследований и научных журналов, и вы обнаружите, что многие обозначают число нейронов в человеческом мозгу красивой круглой цифрой в сто миллиардов – и обычно делают это без подтверждающих ссылок.

Почему без ссылок? По мнению нейробиолога доктора Геркулано-Хаузел, так получилось потому, что никаких прямых оценок общего числа нейронов в человеческом мозге не делалось до 2009 года, когда она и её команда извлекли мозги четырёх недавно скончавшихся людей, принесли их в лабораторию и разжижили их с помощью техники, называемой «изотропная фракциализация». Геркулано-Хаузел и её команда растворили каждый мозг в гомогенную эмульсию в виде «мозгового супа» (это её слова, не наши), взяли образцы из этого супа, подсчитали количество нейронов в каждом образце, и затем экстраполировали, чтобы получить общее число нейронов в каждом мозговом «тортике».

Мы обнаружили, что средний человеческий мозг содержит приблизительно 86 миллиардов нейронов», говорит Геркулано-Хаузел в недавнем подкасте к журналу Nature. Затем она продолжает: Ни один мозг, который мы исследовали к настоящему моменту, не содержал ста миллиардов клеток. И хотя кажется, что это не особо большая разница, но 14 миллиардов нейронов это размер мозга к примеру бабуина, или почти половина нейронов мозга гориллы. Так что это на самом деле вполне приличная разница.

Нейроны: как осуществляется межклеточная коммуникация

Передача информации в нервной системе происходит посредством электрического импульса и химического сигнала: этот тип связи осуществляется в синапсе — межфазовой контактной площадке двух нейронов.

Работа и ЦНС (центральной нервной системы), и ПНС (периферической нервной системы) происходит аналогично. Это возможно, благодаря нейронам и синаптической сети — средствам межклеточной коммуникации.

Строение нейрона

Типичный нейрон состоит из тела клетки (сомы), дендритов и аксонов:

• Дендриты — это короткие и разветвленные отростки нейронов.
• Аксон — это клеточное расширение, проходящее большие расстояния в теле человека и других биологических видов. Аксон может сделать несколько переходов и по окончанию подсоединиться к нескольким клеткам.

В головном мозге взрослого человека существует около 300 триллионов синапсов.

Передача нейронных связей

Связи между нервными клетками осуществляются такими способами:

• от аксона одного нейрона к дендритам или сотовому телу другого;
• от аксона к аксону;
• от дендритов к дендритам и т. д.

Клеточные мембраны сомы и аксона активируют напряжение в электропроводящих закрытых ионных каналах (Ca, Na, K и хлорид-ионных).

Миф 2: Чем больше мозг – тем он лучше

Если вам удастся собрать вместе пачку нескольких близкородственных видов живых существ, вскрыть их черепные коробки и выскрести оттуда мозги, вы, скорее всего, начнёте замечать корреляции между абсолютным размером мозга и когнитивными способностями животного. Среди млекопитающих например, приматы (вроде нас) и китообразные (вроде дельфинов) имеют более крупные мозги, чем скажем насекомоядные (вроде муравьеда), и обладают тем, что большинство может признать как пропорционально большие умственные способности.

Однако отношение «Больше – значит лучше» нарушается, как только вы начинаете сравнивать особей разных видов. Коровы, например, имеют более крупные мозги, чем практически любой вид обезьян, но если только они не очень (очень) хороши в скрывании этого, коровы практически однозначно имеют меньше умственных способностей, чем большинство (если не все) «менее мозговитых» приматов. Сходным образом, мозг капибары (водная свинка, самый крупный грызун на Земле; прим. mixednews) может весить более семидесяти граммов, но её когнитивные способности бледнеют в сравнении со способностями обезьянки капуцина, мозг которой весит всего лишь пятьдесят граммов.

Разумеется, для целей нашей дискуссии, посвящённой человеческим мозгам, наиболее красноречивым доказательством того, что «больше не значит лучше», будет являться сравнение размеров нашего мозга и мозга крупнейших млекопитающих животных, таких например, как кит или слон. На картинке вы можете видеть сравнение человеческого мозга с гораздо более крупным мозгом слона.

С мозгом, который весит в шесть раз больше человеческого, почему кашалоты до сих пор не подчинили себе человечество?

Экспериментальные методы восстановления повреждения нейронов

Последнее десятилетие ученые бьются над новыми методами, позволяющими не допустить блокировку проводимости и смерть аксонов после травмы и сохранить жизнеспособность нейронной сети:

• Разрывы аксонов устранялись путем помещения поперек разрыва разрешительной матрицы.
• Проводилась клеточная терапия ноотропными препаратами для стимуляции роста и регенерации поврежденных аксонов.
• В качестве альтернативных методов при повреждениях миелиновой оболочки применяли ингибиторы роста ассоциативных нейронов и ингибиторы роста рубца.
• Для предотвращения гибели клеток после травмы использовалась молекулярная защита.

Однако все эти обнадеживающие методы имели лишь частичный успех.

Пока не удается сделать главное:

Избирательно подсоединить конкретный аксон к телу клетки нейрона.

Когда удастся произвести соединение отдельных нейронов, в науке произойдет настоящий переворот и откроются двери для беспрецедентного исследования в области неврологии, физиологии, клеточной биологии и биохимии. Возможно будет лечить тяжелые травмы спинного мозга и периферические поражения нервной системы.

Лазерный метод соединения разрыва нейронов

Цели:

• Восстановить связи между нейронами сразу после травмы и предотвратить блокировку проводимости.
• Проверить гипотезу о физической привязанности и восстановлении при приближении нервных окончаний.

Лазерная технология с применением фемтосекундных импульсов — яркий кандидат для избирательного подсоединения нейронов. Она используется в нанохирургии как метод лечения рака:

• для ортопорации (открытии переходного канала в клеточной мембране)
• трансфекции (внедрении нуклеиновых кислот в ядерные клетки).

Удалить или ионизировать можно материал размером менее дифракционного пятна без ущерба для окружающих тканей.

Фемтосекундные лазерные импульсы были также использованы в качестве инструмента для изучения регенерации нейронов путем разделения нейронов и аксонов.

Но физическое соединение отдельных нейронов до сих пор не выполнялось.

Суть эксперимента

В результате испытания под воздействием лазерного излучения с точными параметрами настройки на культивированном в растворе DMEM биоматериале была произведена гемифузия (слияние) двух фосфолипидных мембран клеток нейронов.

Параметры лазерного излучения и биоматериал

Слияние достигнуто с помощью фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны 800нм, с параметрами излучения:

• интенсивность и разрешающая способность соответственно: 1,7 (± 0,08) x 10 12 Вт / см 2 и ± 0,5 мкм;

• частота повторения 80Мгц;
• эффективный размер пятна — 600нм.
• идеальное время облучения составило один-два 15 мс импульсов (т.е. 1,2×106 импульсов).

В качестве биоматериала использовались:

• P19 клетки тератокарциномы мыши;
• Neuro2A клетки нейробластомы мыши;
• телячья, бычья и коровья сыворотка.

На рис. 1 представлены суть эксперимента:

1. Фемтосекундный лазерный импульс доставляется в целевую точку между аксоном и телом нервной клетки (сомой).
2. Фосфолипидные бислои нейрона сомы и аксона до воздействия лазера (кругом отмечена область прикрепления фософолипидных слоев).
3. Лазерный импульс высокой интенсивности вызывает обратимую дестабилизацию обеих фосфолипидных слоев. Под воздействием фемтосекундного лазерного импульса в индуцированной зоне слияния аксон-сома сгенерированные свободные ионы (показаны красным цветом) и свободные электроны (показаны оранжевым) пересекают неполярную центральную область и разрывают связи между жирными кислотами гидрофобных хвостов.
4. В результате процесса релаксации в целевой точке формируются новые стабильные связи и особая гемифузионная клеточная мембрана — общий фосфолипидный бислой.

Как проводилось лазерное соединение нейронов

• Выбирались и выделялись клетки для соединения и приводились в контакт с использованием оптического пинцета таким образом, чтобы выступающий аксон одного нейрона коснулся сомы другого нейрона.
• Клетки оставлялись на какое-то время, чтобы убедиться, что между ними не происходит естественного слияния, после чего они растаскивались оптическим пинцетом.
• Затем нейроны опять сближали и при помощи фемтосекундных лазерных импульсов облучали область между аксоном и сомой клетки.
• Для подтверждения соединения один из нейронов перемещался пинцетом внутрь подвески чашки: было обнаружено, что все остальные нейроны следовали за ним, скручивались и поворачивались как одно целое.

Рис. 2 демонстрирует последовательность соединения одного нейрона к нескольким и создание цепочки нейронов с использованием фемтосекундных лазерных импульсов (стрелками обозначена связь аксона и сомы).

1. Присоединение двух Neuro2A клеток, где аксон клеток (I) прилагается к соме (II).
2. Второй аксон Neuro2A (I) соединяется с сомой Neuro2A (III).
3. Демонстрируется неразрывность новых связей при повороте соединенных клеток на 30° относительно прежнего положения.
4. Определены и выделены две группы четырех P19 клеток.
5. Аксон нейрона (I) вступил в контакт и был связан с сомой (II) с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, и обе группы соединились.
6. Положение цепочки после того, как ее повернули оптическим пинцетом.

Таким образом были прикреплены несколько групп нейронов.

Миф 3: Мозг человека имеет наибольший размер по отношению к размерам тела

Этот миф пришёл к нам ещё из времён Аристотеля, который в 335 году до нашей эры написал: «Из всех животных, человек имеет самый большой мозг в сравнении с размером его тела». В эту ловушку легко угодить, если вы попытаетесь объяснить разницу между размером мозга и интеллектом у, скажем, человека и кашалота. В наши дни, многие люди пользуются примерно тем же объяснением, что и Аристотель, чтобы убедить себя – связь между размером мозга и интеллектом заключается не в абсолютном весе или размере мозга, а скорее в соотношении веса мозга и веса тела.

Да, соотношение мозга к телу у человека огромно по сравнению скажем со слоном (около 1/40 против 1/560 соответственно); но оно примерно равно такому же соотношению у обычной мыши (тоже 1/40), и даже у меньше соотношения, которое вы можете встретить у некоторых маленьких птиц (1/12).

Чтобы преодолеть ограничения базового соотношения мозга к телу, учёные придумали более сложную систему оценки, известную как «фактор энцефализации» (EQ), который измеряет соотношение мозга и размера тела животного по сравнению с другими животными примерно сходного размера. В этом случае, EQ не только принимает в расчёт тот факт, что размер мозга имеет тенденцию увеличиваться с увеличением размера тела, но и то, что размер мозга вовсе не обязательно изменяется пропорционально увеличению тела.

Почему необратимы повреждения нейронов

Нейрон — специфическая клетка, не способная делиться, особенно в зрелом возрасте. Поэтому повреждение нерва из-за травмы может привести к нарушению функций периферической нервной системы.

Паралич после травм спинного и головного мозга, потеря чувствительности связаны с полным блоком проводимости -обрывом связей между эфферентными (двигательными) и афферентными (чувствительными) нейронами.

(Но утверждение о том, что нейрогенез у взрослого человека вообще не происходит, ошибочно. Да, нейрогенез зависит от многих внешних условий, и может угнетаться от вредных воздействий (радиации, химических веществ, стрессы), но появление новых нейронов происходит и у взрослых, особенно в гиппокампе, в височных отделах головного мозга.

Подробнее о регуляции нейрогенеза, о способах воздействия на него — в интересном видео в конце статьи).

Типы повреждения нейронов

• Валлерова дегенерация: Разрыв нерва, повреждение аксона и его миелиновой оболочки.
• Через неделю после травмы начинается блокировка проводимости.
• Восстановление возможно, если сохранена базальная мембрана (в ее функции входят производство миелина (Шванн клеток) и выбор (аппроксимация) нервных окончаний).
• Результатом такого повреждения может стать мышечная атрофия в зоне иннервации нейрона.

• Сегментная демиелинизация:

• Повреждение ограничивается миелиновой оболочкой.
• При сохранении аксона мышечная дистрофия не наблюдается.

• Дегенерация аксонов:

• Повреждается тело нервной клетки, и происходит дистальная гибель аксона.
• Развитие мышечной атрофии происходит при отсутствии повторной иннервации от соседних нервов.
• При таком типе повреждения возможно лишь частичное восстановление.

Миф 4: Мозг большего размера содержит больше нейронов, чем маленький мозг

Но даже фактор энцефализации содержит в себе неотъемлемый изъян, по одной простой причине: больший мозг не обязательно содержит в себе больше нейронов, чем маленький – факт, который возвращает нас к мифу номер один и вопросу из какого числа нейронов всё-таки состоит человеческий мозг.

Но до самого недавнего времени, тем не менее, большинство исследований предполагали, что плотность нейронов (в данном случае в тексте имеется в виду количество нейронов, отнесённое к общей массой мозга, а не физическая плотность нейронной ткани; прим. mixednews) является более или менее постоянной величиной среди разных классов животных. Однако данное убеждение не может находиться дальше от реальности.

Нажмите для увеличения

Этот миф был ловко разоблачён доктором Геркулано-Хаузел и её командой, когда они использовали всё тот же метод мозгового супа что и для измерения числа нейронов в человеческом мозге, чтобы определить общее число нейронов у различных видов млекопитающих. Результаты их исследований, которые на данный момент уже опубликованы в серии отчётов, демонстрируют, что мозги разных млекопитающих следуют разным «правилам расчёта»:

Мозги приматов, как обнаружилось, увеличиваются в размере с той же скоростью, с какой растёт число нейронов в них; если вы сравните один грамм нейронной ткани крупного примата с одним граммом ткани меньшего примата, вы получите примерно одинаковое число нейронов.

Мозги грызунов, с другой стороны, как выяснилось, увеличиваются в размере быстрее, чем приобретают новые нейроны. В результате, более крупные грызуны имеют тенденцию располагать меньшим числом нейронов на грамм нейронной ткани, чем мелкие разновидности.

Мозги насекомоядных ведут себя как комбинация мозгов грызунов и приматов, с корой мозга, которая увеличивается в размерах быстрее, чем прирастает число нейронов (подобно грызунам), и мозжечком, соотношение скоростей роста у которого линейно (подобно приматам).

Доктор Геркулано-Хаузел пишет:

Десятикратное увеличение числа нейронов в мозге грызуна означает 35-кратное увеличение самого мозга; для сравнения, такое же десятикратное увеличение числа нейронов в мозге примата означает увеличение размера мозга всего лишь в одиннадцать раз.

Мозг гипотетического грызуна с 86 миллиардами нейронов (подобно человеческому мозгу), должен был бы весить чудовищные тридцать пять килограмм – что во много раз превосходит все известные параметры у любого из ныне живущих существ.

Парадокс слоновьего мозга

Долгое время мы считали, что обладаем наиболее развитыми когнитивными способностями среди животных. Но по нескольким важным причинам это вовсе не то же самое, что находиться на вершине эволюции. Как Марк Твен отметил ещё в 1903 году, полагать, что столь длительный процесс эволюции нужен был лишь для появления человека — венца творения, так же нелепо, как считать, что Эйфелеву башню строили лишь для того, чтобы нанести последний слой краски на её вершину. Более того, эволюция — не синоним прогресса, это просто ряд изменений на протяжении времени. Люди даже не самый новый вид, сформировавшийся в процессе эволюции. Например, в озере Виктория, самом молодом из Великих африканских озёр, появилось более 500 новых видов рыб из семейства цихлид с тех пор, как оно было заполнено водой приблизительно 14500 лет назад.

Тем не менее в нашем мозге есть что-то уникальное, что даёт ему когнитивную способность задумываться даже над собственным строением и над причинами, почему он считает, что царствует над всеми остальными животными. Если именно мы помещаем других животных под микроскоп, а не наоборот, значит, в мозге человека должно быть что-то особенное, чего нет ни у кого другого.

Наиболее очевидный напрашивающийся кандидат — большая масса: если сознательная когнитивная деятельность генерируется мозгом, значит, когнитивные способности мозга должны зависеть от его размеров. Но слона-то мы и не приметили! Мозг слона по своим размерам превышает человеческий, однако этот вид не отличается такими же сложными и гибкими формами поведения, которые характерны для нас. Кроме того, считать, что более крупные размеры мозга предполагают более развитые когнитивные способности, означает допускать, что у всех видов мозг устроен одинаково, начиная с аналогичной взаимосвязи между размерами мозга и количеством нейронов. Но мне и моим коллегам уже было известно, что устройство мозга отличается в зависимости от вида. Приматы обладают заметным преимуществом над другими млекопитающими: в результате эволюционных изменений рост числа нейронов в мозге происходит экономично, без значительного увеличения средних размеров клетки, которое наблюдается у других млекопитающих.

С конца 1960-х годов психологи спорят, является ли способность узнавать себя в зеркале признаком интеллекта и самосознания.

Мы также знали, какое количество нейронов содержится в мозге различных видов животных, поэтому мы могли перефразировать выражение «больше мозга» и провести эксперимент. Было бы очевидно предположить, что причина заключается в большем количестве нейронов, а не в размерах мозга, так как если именно нейроны вызывают сознательную когнитивную деятельность, то большее количество нейронов должно означать более развитые когнитивные способности. Действительно, хотя раньше считалось, что когнитивные различия между видами носят качественный характер, причём некоторые способности познания ранее приписывались исключительно человеку, сейчас учёные признают, что когнитивные различия между людьми и животными — дело степени. То есть это не качественные, а количественные различия.

Мы используем чрезвычайно сложные инструменты и даже разрабатываем одни приспособления для создания других. Зато шимпанзе ищут в земле термитов при помощи прутиков, другие обезьяны могут доставать еду с помощью граблей, а вороны не просто делают из проволоки инструменты для добычи пищи, а даже сохраняют их для дальнейшего использования. Алекс, африканский серый попугай, принадлежавший психологу Айрин Пепперберг (Irene Pepperberg), научился произносить слова, которые символизировали различные объекты, а шимпанзе и гориллы, не обладающие способностью артикулировать звуки по анатомическим причинам, учатся общаться с помощью языка жестов. Шимпанзе могут запоминать иерархические последовательности: они могут играть в игры, где нужно касаться клеток в порядке возрастания в зависимости от показанных ранее чисел, и они справляются с этой задачей не менее успешно и быстро, чем хорошо подготовленные люди. Шимпанзе и слоны объединяются для добычи пищи, которая находится на большом расстоянии и до которой нельзя добраться поодиночке. Вероятно, шимпанзе и некоторые другие приматы способны определять психическое состояние других особей, что является необходимым условием для совершения обмана. Такой способностью, судя по всему, обладают даже птицы: так, сороки открыто прячут пищу в присутствии наблюдателей, чтобы потом перенести её в секретное место, когда наблюдатели уйдут. Вероятно, шимпанзе, гориллы, слоны, дельфины и сороки могут узнавать себя в зеркале: они использовали его, чтобы рассмотреть отметку, помещённую у них на голове.

Правда ли, что мозг африканского слона, который в три раза тяжелее нашего, имеет большее количество нейронов?

Эти фундаментальные открытия свидетельствуют о том, что когнитивными способностями обладают не только люди — но такие единичные наблюдения не подходят для межвидового сравнения, которое мы должны сделать, если хотим узнать, какая именно особенность мозга позволяет одним видам совершать удивительные достижения в области познания, недоступные для других. И теперь мы подходим к другой проблеме, самой серьёзной на данный момент: как измерить когнитивные способности у большого количества видов и как добиться того, чтобы все эти измерения можно было сравнивать.

В 2019 году было проведено исследование самоконтроля — когнитивной способности, которая обеспечивается работой префронтальной, ассоциативной области коры головного мозга — у нескольких видов животных, в основном у приматов, но также у мелких грызунов, собакообразных хищников, индийского слона и некоторых видов птиц. Учёные обнаружили, что успешное выполнению теста на самоконтроль лучше всего соотносится с абсолютной величиной мозга — у всех, кроме индийского слона, который, несмотря на наибольшие размеры мозга среди всех участников, с треском провалил задание. На ум приходит несколько причин, от «Его не волнует пища/задача» до «Ему нравилось бесить смотрителей своим бездействием». (Мне по душе мысль, что обезьян так трудно обучить действиям, которые так легко даются людям, потому что их удручает очевидность задачи: «Да ладно, вы хотите, чтобы я встал только ради этого? Придумайте что-нибудь поинтереснее! Даёшь видеоигры!»)

Однако наиболее интересной мне представляется гипотеза, согласно которой количество префронтальных нейронов в коре головного мозга африканских слонов может быть недостаточным для решения задач по самоконтролю, например, тех, что использовались в исследовании. Если мы признаем, что мозг приматов и грызунов устроен по-разному, то есть содержит различное количество нейронов на единицу размера, мы можем предположить, что если бы у слонов мозг был устроен так же, как у грызунов, то у африканского слона на кору головного мозга приходилось бы лишь 3 миллиарда нейронов, а на мозжечок — 21 миллиард, тогда как для мозга человека эти цифры составляют 16 и 69 миллиардов соответственно, несмотря на его гораздо меньшие размеры.

С другой стороны, если бы по своему строению мозг африканского слона был похож на мозг приматов, тогда цифры получились бы впечатляющими: 62 миллиарда нейронов в коре и 159 миллиардов — в мозжечке. Но слоны, конечно, не относятся ни к грызунам, ни к приматам. Они принадлежат к надотряду афротериев, как и некоторые мелкие животные, например, уже изученные нами прыгунчиковые и златокротовые — и с учётом этой информации можно сказать, что по своему строению их мозг действительно очень напоминает мозг грызунов.

Зачем тратить 100 тысяч долларов, если подойдёт обычный нож для мяса?

Тогда мы приступили к очень важному эксперименту: решили проверить, действительно ли мозг африканского слона, более чем в три раза превосходящий наш мозг по размерам, содержит больше нейронов? Если это подтвердится, тогда моя гипотеза о зависимости когнитивных способностей от количества нейронов будет опровергнута. Но если мозг человека все же содержит больше нейронов, чем более крупный мозг слона, тогда подтвердится моё предположение, что самым очевидным объяснением впечатляющих когнитивных способностей человеческого вида является впечатляющее количество нейронов головного мозга, которое не наблюдается больше ни у каких видов независимо от размеров мозга. Так, я ожидала, что количество нейронов в коре головного мозга человека превысит соответствующие показатели у африканского слона.

Мои ожидания основывались на когнитивных исследованиях, которые долгое время провозглашали кору головного мозга (точнее, префронтальный отдел коры) единственным центром высшей когнитивной деятельности — абстрактного мышления, принятия сложных решений и создания планов на будущее. Однако почти все участки коры головного мозга связаны с мозжечком с помощью проводящих путей, которые обеспечивают обмен информацией между этими отделами мозга. Все больше исследований указывают на то, что мозжечок участвует в когнитивных функциях коры головного мозга, то есть эти две структуры работают совместно. И так как эти две структуры содержат подавляющее большинство всех нейронов мозга, когнитивные способности должны одинаково хорошо коррелировать с общим количеством нейронов мозга, с числом нейронов в коре и в мозжечке.

Именно поэтому результаты исследований мозга африканского слона превзошли наши ожидания.

Галлоны мозгового супа

Полушарие мозга африканского слона весит более двух с половиной килограммов, поэтому для подсчёта количества нейронов его нужно было разрезать на сотни небольших пластин, причём чтобы эксперимент сработал, одна такая пластина ткани в мозговом супе должна весить не более 3-5 граммов. Я хотела, чтобы процесс нарезки проходил систематично, а не вслепую. В предыдущем эксперименте мы разделили полушарие человеческого мозга на тонкие ломтики с помощью гастрономической машины для нарезки. Эта машина отлично подходила, чтобы отделять извилины коры головного мозга — но у неё был один существенный недостаток: на циркулярном лезвии оставалось слишком большое количество мозгового вещества, что не позволяло посчитать общее количество клеток в полушарии мозга. Если мы хотели узнать общее число нейронов в полушарии мозга слона, его нужно было резать вручную и на более мелкие пластины, чтобы потери в итоге оказались незначительными.

Итак, с самого утра мы с дочерью (в школе как раз начались каникулы) отправились в магазин стройматериалов на поиски Г-образных кронштейнов, чтобы сделать из них устойчивую плоскую конструкцию для нарезки мозга слона, а ещё нам нужен был самый длинный нож, который я могла удержать в одной руке. (Такую возможность подростку просто нельзя было упускать, ведь через несколько лет можно будет спросить: «Мама, ты помнишь тот день, когда мы резали мозг слона?») Сначала мы подпилили элементы крепления Г-образных кронштейнов, а затем втиснули мозг слона в получившуюся конструкцию. Конечно, можно за 100 тысяч долларов купить роскошный инструмент, который сделает работу идеально, но зачем тратить столько денег, если обычный нож для мяса достаточно хорош для этой задачи?

Я положила полушарие мозга на плоскую поверхность стола, ограниченную Г-образными кронштейнами. Студент сохранял конструкцию в нужном положении, пока я левой рукой удерживала мозг, а правой решительно, но осторожно совершала надрезы, перемещаясь вперёд и назад. Ещё несколько движений ножом, в том числе в задней области и в мозжечке, и перед нами оказался полностью нарезанный «каравай» — мозг слона: кора головного мозга была поделена на 16 секций, мозжечок — на 8, плюс отдельно лежали мозговой ствол и гигантская 20-граммовая обонятельная луковица (что в 10 раз превышает массу мозга крысы).

Сюзана Геркулано-Хаузел и её студенты разрезали мозг слона на поперечные секции, как показано на фотографии, чтобы определить, сколько в нем содержится нейронов, и сравнить полученные данные с результатами исследований человеческого мозга.

Затем нам нужно было отделить внутренние структуры — полосатое тело, таламус, гиппокамп — от коры, потом разрезать кору на более мелкие пластины для дальнейшей обработки и наконец разграничить белое и серое вещество для каждой такой пластины. Всего у нас получилась 381 пластина мозговой ткани, большинство из которых всё ещё в несколько раз превышали размер в 5 граммов, необходимый для дальнейшей обработки. Это несомненно было рекордным количеством ткани, которое мы когда-либо исследовали. Если бы один человек обрабатывал одну пластину ткани в день, ему понадобилось бы трудиться не меньше года — без перерыва, — чтобы справиться с задачей. Очевидно, что нужно было собирать команду, особенно если я хотела получить результаты не позднее, чем через полгода. Но даже с небольшой армией студентов процесс шёл слишком медленно: за два месяца была обработана лишь одна десятая часть мозга. Нужно было что-то придумать.

И тут на помощь пришёл капитализм. Я провела расчёты и поняла, что мне нужно найти около двух с половиной тысяч долларов — примерно по доллару на один грамм ткани, которую нужно обработать. Я собрала команду и сделала предложение: помочь может каждый, и все получат равное финансовое вознаграждение. Вскоре начали формироваться небольшие рабочие группы: один студент измельчал пластины ткани, другой проводили расчёты, а потом они делились выручкой. Такой метод сработал на «отлично». Мой муж заходил в лабораторию и с изумлением наблюдал за толпой студентов, которые оживлённо болтали за работой. (До этого они в основном работали по очереди, как в небольшой лаборатории). Хайро Порфирио (Jairo Porfírio) занимался окрашиванием антителами, а я подсчитывала нейроны под микроскопом — и чуть меньше, чем через полгода, мы полностью обработали полушарие мозга африканского слона, как и было запланировано.

И победителем становится…

И… О чудо! Оказалось, что мозг африканского слона содержит больше нейронов, чем мозг человека. И это не просто незначительное различие: ровно в три раза больше нейронов, 257 миллиардов по сравнению с нашими 86 миллиардами. Но — и это было гигантское «но» — целых 98 процентов из этого количества нейронов расположены в мозжечке, в задней части мозга. У всех остальных млекопитающих, изученных нами на данный момент, большая часть нейронов мозга также приходится на мозжечок, но никогда эта цифра не превышала 80 процентов. Такое необычное распределение нервных клеток в мозге слона означает, что на кору головного мозга приходятся относительно скромные 5,6 миллиарда нейронов. Несмотря на размеры коры головного мозга африканского слона, цифра в 5,6 миллиарда меркнет по сравнению с 16 миллиардами нейронов в намного менее крупной коре мозга человека.

Итак, вот какой мы получили ответ. Нет, мозг человека не содержит больше нейронов, чем намного более крупный мозг слона, однако на кору головного мозга человека приходится почти в три раза больше нейронов, чем на соответствующий отдел мозга слона, хотя последний более чем в два раза крупнее. Если мы не были готовы допустить, что слон, мозжечок которого (а значит, и весь мозг) содержит в три раза больше нейронов, должен иметь более развитые когнитивные способности, чем человек, мы могли исключить гипотезу, что общего числа нейронов в мозжечке достаточно для определения когнитивных способностей мозга.

Значит, оставалась только кора головного мозга. Этот эксперимент проделала за нас сама природа, отделив количество нейронов в коре головного мозга от количества нейронов в мозжечке. Более развитые когнитивные способности человеческого мозга по сравнению с мозгом слона можно было связать просто — и исключительно — с большим количеством нейронов в коре его головного мозга.

Пока мы не получили данные о когнитивных способностях, необходимые для сравнения всех видов млекопитающих или, по крайней мере, тех, число нейронов в коре головного мозга которых нам известно, на основе самого этого числа мы уже можем выдвинуть предположение, которое можно проверить экспериментально. Если абсолютное число нейронов в коре головного мозга является основным ограничением для развития когнитивных способностей, тогда моя предполагаемая классификация видов в зависимости от когнитивных способностей, основанная на количестве нейронов в коре головного мозга, выглядела бы следующим образом:

Моё предположение интуитивно кажется более разумным, чем современная классификация, основанная на массе мозга, которая, например, ставит жирафа выше многих приматов:

Таким образом, существует простое объяснение тому, как мозг человека, и только он один, может одновременно быть похожим на мозг остальных животных из-за эволюционных ограничений, но в то же время отличаться настолько сильно, что у нас появляется способность размышлять над собственным материальным и метафизическим происхождением. Во-первых, мы относимся к приматам, что даёт нам преимущество в виде большого количества нейронов, содержащегося в небольшой коре головного мозга. И, во-вторых, благодаря техническим достижениям наших предков мы смогли исключить энергетический фактор, препятствующий увеличению количества нейронов в коре головного мозга у всех остальных животных, которые питаются сырыми продуктами в условиях дикой природы.

Так что же выделяет нас среди всех животных? Я считаю, что это впечатляющее количество нейронов в коре головного мозга, самое большое среди всех видов и недоступное ни для кого, кроме нас. И какие наши действия, которые не совершают никакие другие животные и которые, по моему мнению, стали основной причиной накопления столь значительного количества нейронов в нашем мозге? Мы готовим еду. Остальное — все технологические достижения, совершённые благодаря уникальному количеству нейронов в коре нашего головного мозга, и последующее культурное наследование этих достижений, раскручивающее спираль, превращающую способности в возможности, — лишь история.

Отрывок из книги Сюзаны Геркулано-Хаузел The Human Advantage: A New Understanding of How Our Brain Became Remarkable, опубликованной в издательстве Массачусетского технологического университета.

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.

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.

Полезные факты о мозге

Мозг – это один из самых сложных органов человеческого организма, поэтому будет полезным узнать несколько, довольно интересных фактов:

1. Потеря нервных клеток у детей.

Как мы уже узнали, нейронов в мозге человека примерно 85 миллиардов. Если сравнивать это число с другими, то, например, у капибара (самый крупный вид грызунов) примерно 1,6 миллиардов, у мыши – 71 миллион, у таракана 1 миллион.

Большинство людей считают, что гибель нервных клеток преимущественно происходит у пожилых людей, однако это миф, большая часть клеток гибнет еще в детском возрасте, когда у ребенка еще идет процесс их естественного отбора. Гибель клеток в данном возрасте не является каким-либо негативным процессом, так как в первую очередь гибнут «слабые» клетки, а сильные приспосабливаются.

1. Высокий интеллект не причина большого размера мозга.

Многие слышали такие высказывания, что чем больше голова, тем более умным является человек. Мы уже рассматривали, почему размер не является ключевым в развитости головного мозга, однако приведем некоторые примеры.

Например, мозг Эйнштейна весил всего 1230г, когда мозг здорового мужчины достигает и 2.000 грамм. Если взять слона – то его размер в 4-5 раз больше, но данное животное не выделяется какой-либо гениальностью.

Исследования мозга еще не продемонстрировали доказательства существенного влияния какого-либо элемента на интеллект. Однако как мы и говорили, ключевыми признаками развитости являются взаимосвязь нейронов, а не количество нейронов в мозгу человека.

1. Память мозга

Исследования ученых утверждают, что клетки человека способны хранить в 6 раз больше информации, чем один толстый том энциклопедии. Точных цифр пока не существует, однако «свободное место» в головном мозге оценивают в 1 петабайт (1000 терабайт), что является весьма вместительным.

1. На сколько процентов задействуется мозг человека

Стоит отметить, что работа мозга отмечается постоянной, беспрерывной деятельностью. Довольно часто можно услышать, что мозг задействует 10% от максимальных своих возможностей, однако это миф. Человеческий мозг задействует все свои отделы, и они все находятся в практически постоянном, активном состоянии.

Один из исследователей, а именно нейробиолог — Барри Гордон приводит следующие опровергающие аргументы:

• Если бы мозг работал всего на 10% от своих возможностей, то люди с меньшим размером, но более производительным мозгом имели бы существенное преимущество в эволюции
• Исследования, проводимые с помощью функциональной МРТ, показывают, что даже во время сна, мозг испытывает некоторую активность. Отсутствие активности может быть продиагностировано только при тяжелом повреждении
• Мозг имеет различные отделы, каждый отдел из которых занимается выполнением своих определенных функций. Отделов, которые бы не работали, не обнаружены
• Клетки мозга, которые находятся в бездействии впоследствии отмирают. Из этого следует, что если бы остальные 90% мозга были неактивны, то при вскрытии можно было бы увидеть 90% отмирание мозга

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.