Мозговой трест. 40 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

Сборник статей, 2018

Профессор Дэвид Линден собрал ответы сорока ведущих нейробиологов на вопрос: «Что бы вы больше всего хотели рассказать людям о работе мозга?» Так родился этот сборник научно-популярных эссе, расширяющий представление о человеческом мозге и его возможностях. В нем специалисты по человеческому поведению, молекулярной генетике, эволюционной биологии и сравнительной анатомии освещают самые разные темы. Почему время в нашем восприятии то летит незаметно, то тянется бесконечно долго? Почему, управляя автомобилем, мы ощущаем его частью своего тела? Почему дети осваивают многие навыки быстрее взрослых? Что творится в голове у подростка? Какой механизм отвечает за нашу интуицию? Способны ли мы читать чужие мысли? Как биологические факторы влияют на сексуальную ориентацию? Как меняется мозг под воздействием наркотиков? Как помочь мозгу восстановиться после инсульта? Наконец, возможно ли когда-нибудь создать искусственный мозг, подобный человеческому? Авторы описывают самые удивительные особенности мозга, честно объясняя, что известно, а что пока неизвестно ученым о работе нервной системы. Книга увлечет всех, кто интересуется наукой о мозге.

Развитие и изменение

Генетика проливает свет на природу индивидуальности

Джереми Натанс

В ЭТОМ МОГ УБЕДИТЬСЯ ВСЯКИЙ, кто проводил время в обществе четырехлетних детей. Даже в таком юном возрасте люди очень сильно отличаются друг от друга. Одни дети коммуникабельные, другие робкие. Кто-то усидчив, а кто-то все время переключается с одного занятия на другое. Кто-то упрям, а кто-то покладист. И в зрелом возрасте индивидуальные черты в значительной степени определяют, кто мы такие: пессимисты или оптимисты, общительные или замкнутые, властолюбивые или беззаботные, отзывчивые или недоверчивые. Личные особенности тысяч и миллионов людей в совокупности определяют черты общества.

Чем же определяется индивидуальность? Насколько она заложена в человеке от рождения? И в какой мере ее формирует опыт? По сути, это вопросы о развитии, функционировании и пластичности мозга — одни из самых серьезных, которые мы можем задать науке о мозге.

Больше ста лет назад британский ученый-энциклопедист Фрэнсис Гальтон сформулировал эти вопросы в их нынешнем виде^[9]. Гальтон считал, что личность, интеллект и другие психологические характеристики формируются под общим влиянием «природы и воспитания». За прошедшее столетие исследования в области поведения животных, психологии и генетики позволили добиться некоторого прогресса в изучении этой темы.

Если говорить о выводах, полученных из наблюдений за нашими собратьями из животного мира, стоит начать с работы двоюродного брата Гальтона — Чарльза Дарвина, заинтересовавшегося теми изменениями во внешности и поведении, которых можно добиться путем селекции домашних животных. Рассмотрим, например, характеры собак. Любой владелец собаки знает, что у каждого животного свой темперамент, способности (или отсутствие таковых) и привычки — иными словами, набор черт, из которых складывается индивидуальность животного. Удивительно, но все эти черты во многом определяет генетика. Дружелюбие золотистого ретривера, пастуший инстинкт австралийской овчарки и самодисциплина немецкой овчарки — все это в значительной степени результат селекции. Владельцы и заводчики собак ценят эти черты не меньше, чем экстерьер.

Если мы обратимся к более распространенным поведенческим особенностям собак (тем, что отличают домашних собак от диких), то обнаружим, что самая важная характеристика, общая для одомашненных пород, — это покорность, развившаяся в результате фундаментального изменения в условиях взаимодействия с людьми. Эта черта, в частности, проявилась в переосмыслении зрительного контакта: прямой взгляд в глаза из угрозы превратился в знак привязанности. В знаменитом исследовании чернобурых лисиц, проведенном Дмитрием Беляевым, Людмилой Трут и их коллегами, поведенческий переход из дикого состояния в одомашненное произошел всего за 30–40 поколений в процессе селекции диких лисиц^[10]. В результате этого эксперимента, начатого в Новосибирске еще в конце 1950-х годов, были выведены лисицы, обладающие многими из тех симпатичных черт, которые мы ассоциируем с домашними собаками: одомашненные лисы виляют хвостом, лижут руки, реагируют на зов и стремятся к физическому и зрительному контакту с людьми.

Один из выводов, сделанных по итогам новосибирского эксперимента, состоит в том, что у популяции диких лисиц уже имелись генетические особенности, необходимые для преобразования характера из дикого в домашний. И действительно, исследователи отмечали, что «дружелюбное» поведение начало проявляться уже через четыре поколения селекции («дружелюбие» определялось по взаимоотношениям между лисами и людьми). В настоящее время точно неизвестно, какие именно генетические изменения ответственны за покорность чернобурых лисиц, но Беляев, Трут и их коллеги доказали, что эти изменения — какими бы они ни были — привели к гормональным изменениям, в том числе к снижению уровня гормонов стресса, таких как глюкокортикоиды. Возможно, особи с поведением типа А (по Фридману) оптимально приспособлены к миру, в котором следующий прием пищи не гарантирован, а любое крупное животное с высокой вероятностью может оказаться врагом.

Насколько выводы о влиянии генетики на поведенческие черты животных применимы к людям? В 1979 году ученый-психолог Томас Бушар из Университета Миннесоты предпринял одну из самых амбициозных попыток ответить на этот вопрос. На протяжении следующих 20 лет Бушар и его коллеги изучали те редкие случаи, когда близнецы усыновлялись разными семьями и росли в разной обстановке; исследователи хотели понять, как одинаковые гены и разная среда влияют на сходство и различия психики^[11]. В Миннесотском исследовании близнецов, выросших порознь (MISTRA), сравнивались однояйцевые и разнояйцевые близнецы, а также, в сотрудничестве с Дэвидом Ликкеном (коллегой Бушара по Университету Миннесоты), близнецы, воспитывавшиеся раздельно, сравнивались с близнецами, выросшими вместе^[12].

Однояйцевые близнецы (их еще называют монозиготными) развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки, которая на ранней стадии развития делится на два эмбриона. Эти близнецы наследуют от родителей один и тот же вариант каждого гена и поэтому генетически идентичны. А поскольку однояйцевые близнецы наследуют один и тот же набор Х — и Y-хромосом, они бывают только однополыми. То есть пара однояйцевых близнецов может состоять из двух мальчиков или двух девочек, но не из мальчика и девочки. В среднем примерно у одного из 270 человек есть однояйцевый близнец.

В отличие от однояйцевых разнояйцевые (или дизиготные) близнецы появляются тогда, когда во время овуляции из яичника выходят две яйцеклетки, которые оплодотворяются двумя сперматозоидами, а затем развиваются в два эмбриона. Такие близнецы похожи друг на друга не больше, чем обычные братья и сестры. От других братьев и сестер разнояйцевых близнецов отличает только то, что они одновременно развиваются в матке и рождаются в один день. Генетики исходят из того, что «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов»^[13]. Таким образом, поскольку разнояйцевые близнецы наследуют Х — и Y-хромосомы независимо друг от друга, они могут быть как одного пола (мальчик + мальчик или девочка + девочка), так и разного (мальчик + девочка или девочка + мальчик). В среднем примерно у одного из 115 человек есть разнояйцевый близнец.

В самом простом исследовании близнецов некий измеримый параметр (например, рост, вес или кровяное давление) сравнивается у большого количества пар однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Различия по этому параметру вычисляются для каждой пары, а затем ученые сравнивают полученные результаты в группах однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Поскольку однояйцевые близнецы всегда одного пола, в исследовании участвуют только однополые разнояйцевые близнецы. Одно из подобных исследований, например, показало, что средняя разница в росте между разнояйцевыми близнецами составляет 4,5 сантиметра, а между однояйцевыми близнецами — 1,7 сантиметра. Меньшая разница в росте у однояйцевых близнецов обусловлена бо́льшим генетическим сходством.

Внимательный читатель, возможно, заметил в этом типе исследований слабое место — особенно применительно к психологическим вопросам. Однояйцевые близнецы так похожи, что их часто путают, и это может вызвать недоразумения. В результате учителя, друзья или даже родственники нередко относятся к ним одинаково — или потому, что не в состоянии их различить, или из предположения, что два человека с одинаковой внешностью не должны различаться и в других аспектах. Сходство в межличностных отношениях такого типа создает то, что в поведенческой генетике называется «общей средой», и это затрудняет анализ соотношения влияния природы и воспитания. Кроме того, как будет показано далее, у однояйцевых близнецов наблюдается сходство в широком диапазоне личностных характеристик и, скорее всего, вследствие этого формируется невероятно тесная связь друг с другом. Возникает вторая проблема: что, если тесные межличностные отношения между однояйцевыми близнецами усиливают их психологическое сходство и сглаживают различия?

Изучение близнецов, разлученных при рождении или в раннем детстве, позволяет ответить на эти вопросы. Как показало исследование MISTRA, особенно информативно здесь сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся порознь, с разнояйцевыми, также воспитывавшимися порознь. В этом случае близнецы в парах генетически идентичны соответственно либо на 100 %, либо в среднем на 50 %, но условия, в которых они воспитывались, по большей части не совпадают. Два других информативных подхода — это сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь, и сравнение разнояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь. В последнем случае используется другой способ оценки влияния одинаковой и разной среды в детские годы, когда происходит формирование личности.

За 20 лет работы по проекту MISTRA ученые изучили 81 пару однояйцевых близнецов, выросших порознь, и 56 пар разнояйцевых близнецов, выросших порознь. Средний возраст близнецов на момент исследования составлял 41 год. В среднем они провели вместе всего пять месяцев, прежде чем их разлучили, и не поддерживали контакт друг с другом в среднем на протяжении 30 лет. В процессе исследования каждый участник провел около недели в Университете Миннесоты, где проходил психологическое тестирование, а также физическое и медицинское обследование.

Результаты психологических тестов удивили ученых. В случае со многими чертами личности, такими как экстраверсия/интроверсия и эмоциональная устойчивость/неустойчивость, влияние генетики оказалось существенным — в среднем порядка 40 %. Более того, столь же сильное влияние генетики обнаружилось в выборе профессии и в некоторых социальных аспектах, таких как религиозность или приверженность традициям.

Из всех психологических характеристик человека наиболее активно исследовался коэффициент интеллекта (IQ), который оценивался по результатам письменного теста на знания и интеллектуальные навыки. Термин «коэффициент интеллекта» звучит слишком претенциозно, но сам тест представляет и теоретический, и практический интерес, поскольку его результаты хорошо предсказывают будущие образовательные и профессиональные успехи^[14]. Данные MISTRA показали, что у исследуемой группы населения 70 % расхождений в результатах теста на IQ можно объяснить генетикой. В частности, разница в IQ у однояйцевых близнецов, выросших порознь, была лишь немногим больше, чем средний разброс результатов теста на IQ у одного и того же человека, проходившего тест два раза. Систематический анализ разных приемных семей, в которых воспитывались разлученные однояйцевые близнецы, показал слабое влияние на результат теста на IQ таких факторов, как уровень образования приемных родителей, а также богатая культурная или научная среда. Это важные выводы, однако они нуждаются в некоторых уточнениях, поскольку не учитывают влияние исключительных обстоятельств, таких как особенно богатая культурная среда или, напротив, ее недоступность. Почти все участники MISTRA воспитывались в семьях и социуме, где имелась возможность получить хорошее образование, поэтому выявленный уровень генетического влияния применим к условиям этой благоприятной среды.

Я упомянул здесь исследование MISTRA из-за его масштаба и образцового дизайна, но аналогичные результаты, касающиеся личности и IQ, были получены в десятках других работ, посвященных изучению близнецов и семей^[15]. Особый интерес представляет сравнение 110 пар однояйцевых близнецов и 130 пар разнояйцевых близнецов в возрасте более 80 лет: у однояйцевых близнецов обнаружилась бо́льшая степень сходства по каждому из тестируемых параметров, в том числе по общим когнитивным способностям (IQ), памяти, вербальным навыкам, пространственной ориентации и скорости обработки информации^[16]. Это исследование также показало, что влияние генетики на IQ почти не снижается с возрастом, хотя ни в этой, ни в других работах не проверялось, насколько результаты теста на IQ отражают мотивацию, любознательность и самодисциплину, а не только «интеллект» в чистом виде.

Исследования близнецов позволяют оценить средний вклад генетики в индивидуальные различия личностных черт и когнитивных способностей, но не выявляют биологические механизмы, лежащие в основе этих различий. Можно сказать, что такие исследования дают нам данные, аналогичные техническим характеристикам разных марок автомобилей. Мы можем узнать, что «порше» разгоняется быстрее «тойоты», но чтобы понять причину этой разницы, необходимо во всех подробностях знать, чем различаются эти машины. Кроме того, нам понадобятся общие знания об устройстве автомобиля.

В биологии «заглянуть под капот» — значит понять, как растут клетки, как происходит их специализация, как они взаимодействуют и выполняют те или иные функции. Необходимо также выяснить, как именно генетическая последовательность, которую наследует каждый из нас, передает информацию о белках, заключающих в себе молекулярные механизмы, от которых зависит строение и функционирование клетки. Это очень сложная задача, и до полного понимания этих процессов нам еще далеко. Тем не менее за последние 50 лет нейробиология добилась значительных успехов. Теперь мы знаем основные механизмы коммуникации нервных клеток, а также многие механизмы, отвечающие за формирование связей между нервными клетками в процессе развития.

Особенно быстро развивается генетика. Сегодня нам известны полные последовательности ДНК человека и десятков других видов животных, а также частичные последовательности ДНК сотен тысяч отдельных людей. Эти последовательности показывают, что наш генетический код очень похож на генетические коды других млекопитающих. Таким образом, огромное разнообразие внешних признаков и интеллектуальных способностей млекопитающих, скорее всего, обусловлено совокупностью относительно небольших различий в структуре и функционировании генома. Кроме того, сравнение генетического кода разных людей показывает, что генетически мы отличаемся друг от друга лишь на одну тысячную часть^[17]. Выяснить, каким образом эти генетические различия влияют на формирование нашей личности, — одна из величайших научных задач, стоящих перед человечеством.

Мозг состоит из миллиардов нейронов, но связи между ними могут формироваться по очень простым правилам

Алекс Колодкин

НЕОБЫЧАЙНАЯ СЛОЖНОСТЬ НЕЙРОННЫХ СВЯЗЕЙ вызывает закономерный вопрос: какие метки, или маркеры, помогают упорядочить организацию этих связей? Попробуйте представить, что вам необходимо подключить тысячи телефонов в новом здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке к центральным коммутаторам. Разноцветные провода, пронумерованные телефонные гнезда и множество уникальных меток — вот то, что поможет вам ничего не перепутать. Но чтобы использовать прием с «уникальными метками» при построении человеческого мозга, вам понадобились бы миллиарды особых молекулярных маркеров. Возможно ли вообще подобное шифрование связей? За сто лет исследований нейробиологи обнаружили лишь несколько сотен молекул, которые избирательно управляют формированием связей между нейронами. Но даже если бы все гены человеческого генома производили только маркеры связей, получилось бы всего 20 тысяч уникальных маркеров — гораздо меньше, чем нужно для кодирования всех связей в мозге человека^[18]. Недавнее исследование зрительной системы насекомых показало, что чрезвычайно сложные связи огромного количества нейронов могут диктоваться очень простыми правилами; каждый отдельный нейрон способен следовать этим правилам самостоятельно и в отсутствие несметного числа уникальных меток выстраивать сложные специфические связи со множеством других нейронов. В какой же степени нервная система — это результат самосборки? Как ни странно, в значительной.

Огромный вклад в наше понимание сложности и логики нейронных связей внес в начале ХХ века испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль^[19]. Вооружившись примитивным по нынешним меркам микроскопом и применив метод окрашивания, который позволял маркировать лишь очень малую долю из огромного числа нейронов, Рамон-и-Кахаль совершил экспедицию к неизведанным берегам анатомии и описал классы нейронов на основе их морфологии и структуры связей с другими нейронами. Он по достоинству оценил сложные и красивые формы нейронов и создал превосходные иллюстрации^[20]. Рамон-и-Кахаль предположил, что аксоны, тянущиеся из тела нейрона и зачастую очень длинные, вероятно, передают информацию следующему нейрону, контактируя с его дендритами (древовидными структурами, отходящими от тела клетки), которые, в свою очередь, принимают информацию, передают ее своему аксону, а затем дендритам следующего нейрона и так далее. Эта догадка позволила Рамону-и-Кахалю выдвинуть гипотезу об организации цепей нейронов в нервной системе позвоночных и даже беспозвоночных животных.

Рамон-и-Кахаль изучал не только мозг взрослых особей разных видов, но и нервную систему эмбрионов, и показал в своих работах, насколько сложна зрелая нервная система. Он увидел, что на концах аксонов имеются похожие на ладони утолщения, которые мы теперь называем конусами роста, и «пальцы» на них (филоподии) словно исследуют окружающее пространство. Когда конус роста сталкивается с каким-либо маркером (на расстоянии или вплотную), он направляет аксон в сторону привлекательного маркера или подальше от отталкивающего маркера. Данные, накопленные за последнее столетие, подтвердили догадки Рамона-и-Кахаля^[21]. Теперь мы знаем, какие белки, выделяемые клетками, могут издалека привлекать или отталкивать конусы роста и какие белки локального действия, связанные с клеточной мембраной, управляют движением конусов роста. Мы знаем, что аксоны, появившиеся на ранней стадии развития, могут служить направляющими, вдоль которых растут новые аксоны. Постепенно мы приблизились к пониманию того, как совершенствовалась разветвленная схема сложных нейронных связей от червей к насекомым и от насекомых к человеку. Но как карта Нью-Йорка не дает по достоинству оценить архитектурное и культурное наследие города, так и наши скудные знания о строении нервной системы пока не позволяют составить представление о том, каким образом формируются триллионы нейронных связей в человеческом мозге. Обратимся к удобной модели: плодовой мушке Drosophila melanogaster.

На протяжении всей истории биологии изучение организмов намного более простых, чем человек, позволяло понять фундаментальные биологические процессы, и нейробиология здесь не исключение. Новаторская работа нескольких ученых, среди которых был великий генетик Сеймур Бензер, показала, что дрозофила — чрезвычайно ценный вид для исследования развития нейронов, передачи информации через синапсы от одного нейрона к другому, общей структуры нейронной цепи и даже сложных форм поведения^[22]. Понятная нейроанатомия, особые генетические механизмы и хорошо изученные молекулы, управляющие нейронами (схожие с теми, что управляют нейронами человека), — все это делает плодовую мушку превосходной моделью для анализа формирования сложных нейронных связей, даже когда число этих связей значительно превышает количество возможных наводящих маркеров, помогающих их выстраивать.

Анализ схемы соединения глаза дрозофилы с мозгом позволяет вплотную подойти к проблеме нейронных связей. Сложный глаз плодовой мушки состоит из 800 структурных элементов — омматидиев, хорошо различимых на поверхности глаза (рис. 2А). На внешней поверхности каждого омматидия имеется маленькая линза (на рис. 2А можно разглядеть эти выпуклые «шляпки»), а под ней располагается группа из восьми светочувствительных нейронов, или фоторецепторов (они обозначены буквами PR — для простоты мы рассмотрим только шесть из них). Фоторецепторы в омматидии реагируют на свет с разной длиной волны, передавая электрические сигналы по своим аксонам (рис. 2В). Аксоны фоторецепторов тянутся к аналогично расположенным структурным единицам — патронам оптического ганглия в зоне мозга, которая называется ламиной. Важно, что количество и расположение фоторецепторов в каждом омматидии одинаково для всех приблизительно 800 омматидиев в обоих глазах дрозофилы. Представляет интерес разница в строении глаз насекомых: у дневных насекомых (активных днем), в том числе бабочек, все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет одного направления (параллельные стрелки на рис. 2С), а их аксоны тянутся к одному и тому же патрону (рис. 2С), то есть этот механизм относительно прост. Однако у насекомых, активных ночью, в том числе у дрозофилы, развился адаптивный механизм — суперпозиция нейронов, которая повышает чувствительность к свету в сумерках или ночью, не снижая четкости зрения^[23].

РИС. 2. Нейронные связи в глазу насекомого. (А) Поверхность глаза дрозофилы состоит из приблизительно 800 омматидиев. Обратите внимание на выпуклую поверхность каждого омматидия: это линза, которая фокусирует свет на фоторецепторах. (В) Схема связей между глазом и мозгом дрозофилы. Связи шести разных фоторецепторов (PR) глаза, воспринимающих свет одного направления (стрелки вверху) и расположенных в соседних омматидиях; аксоны сложными путями подходят к одной и той же мишени (патрону оптического ганглия) в мозге. Аксоны двух из шести таких фоторецепторов обозначены как PR#3 и PR#6. (C) Схема нейронных связей глаза и мозга у бабочки. В отличие от дрозофилы у бабочки фоторецепторы, воспринимающие свет одного направления (стрелки вверху), расположены в одном омматидии. Их аксоны тянутся напрямую к одному патрону — эта схема гораздо проще, чем у дрозофилы. (D) Схема связей между глазом и мозгом у дрозофилы. Все фоторецепторы одного омматидия воспринимают свет разных направлений (стрелки вверху), а их аксоны тянутся к шести разным патронам ламины

Адаптация заключается в том, что шесть фоторецепторов, расположенных в разных, но соседних омматидиях, воспринимают свет одного направления (рис. 2B, параллельные стрелки), а шесть фоторецепторов одного омматидия воспринимают свет разных направлений (рис. 2D, расходящиеся стрелки). Каким же образом аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления и расположенных в соседних омматидиях, тянутся к одному, тому самому патрону ламины (рис. 2B)?^[24] В отличие от глаза бабочки в глазу дрозофилы это не может осуществляться за счет того, что все фоторецепторы омматидия просто тянут свои аксоны к соответствующему оптическому патрону (сравните рис. 2В и 2С), и это усложняет задачу организации такого рода связей. На рис. 2В показана схема лишь одного набора из шести фоторецепторов в соседних омматидиях, соединяющихся с одним патроном ламины в мозге дрозофилы, однако нужно понимать, что таким сложным образом одновременно распределяются все 5000 аксонов фоторецепторов всех 800 омматидиев глаза дрозофилы — такой хореографии могли бы позавидовать даже постановщики танцевального шоу в перерыве Суперкубка. «Индивидуальные метки» для каждого соединения фоторецептора с ламиной едва ли помогли бы аксонам не сплестись в запутанный клубок, протягиваясь к своим патронам.

Петер Робин Хизингер и его коллеги исследовали механизмы формирования нейронных связей в глазу дрозофилы тем способом, который одобрил бы Рамон-и-Кахаль: они просто наблюдали^[25]. Воспользовавшись возможностями современных методов микроскопии, которые позволяют получать изображения отдельных аксонов фоторецепторов и их конусов роста, тянущихся к мишеням, ученые вывели простые правила, по которым образуются связи в глазу дрозофилы. Микроскоп — это прибор, который позволяет наблюдателю заглянуть внутрь живой ткани и во всех подробностях разглядеть строение отдельных нейронов, аксонов и их конусов роста^[26]. Эксперимент заключался в наблюдении за аксонами фоторецепторов и их конусами роста на протяжении около 30 часов: столько времени требуется на рост аксона от глаза к головному мозгу у дрозофилы. Тщательный анализ интервальной съемки позволил однозначно идентифицировать каждый из шести фоторецепторов в каждом из 800 омматидиев глаза дрозофилы.

Главный результат наблюдений: в каждом из шести фоторецепторов в любом отдельном омматидии действуют разные модели роста аксона после его контакта с ламиной. Например, аксон от фоторецептора #3 всегда сначала достигает ламины «по прямой», а затем тянется «на юго-восток» с постоянной скоростью (рис. 2B и 2D). И эта модель роста одинакова для всех фоторецепторов #3, расположенных в разных омматидиях глаза. Аксон фоторецептора #6 достигает ламины «по прямой», а затем меняет направление и растет «на запад»; скорость его роста тоже постоянна, но отличается от скорости роста аксона фоторецептора #3. Аналогичным образом ведут себя остальные четыре фоторецептора. Если сравнить направления роста аксонов фоторецепторов #1–6 из разных омматидиев, то выяснится, что они идентичны. Получается, что в каждый из шести фоторецепторов встроена уникальная программа роста, которая выполняется одинаково в каждом омматидии и определяет правило, по которому собирается сложная схема соединений нейронов в глазу дрозофилы. Если правило выполняется и все шесть аксонов фоторецепторов растут в заданном направлении с заданной скоростью, это дает удивительный результат: шесть конусов роста аксонов шести фоторецепторов, расположенных в соседних омматидиях и воспринимающих свет одного направления, в одно и то же время сходятся в одном патроне оптического ганглия, и рост останавливается (рис. 2В). Из этого следует второе правило: рост аксонов прекращается только после того, как конусы роста всех шести аксонов фоторецепторов достигают ламины и соприкасаются там друг с другом, — и никак не раньше. Таким образом, аксоны фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления, находят свой путь через сеть тесно переплетенных аксонов других нейронов и их конусов роста, и процесс не прерывается, если они соприкасаются с конусами роста аксонов фоторецепторов, воспринимающих свет иного направления. Механизм формирования связей между фоторецепторами и мозгом крайне точен, а ошибки редки. Каждый патрон оптического ганглия получает сигналы только от фоторецепторов, воспринимающих свет одного направления. Это значительно упрощает обработку визуальных сигналов в отделах мозга более высокого уровня — ведь информация о направлении анализируется еще на уровне патрона ламины, первой «ретрансляторной станции» в зрительной системе, сразу после восприятия света фоторецептором. Компьютерное моделирование, выполненное Хизингером и его коллегами, показало, что для формирования нужной связи достаточно одновременной встречи шести конусов роста аксонов фоторецепторов; никаких меток в патроне ламины не требуется. Таким образом, трудноразрешимая, на первый взгляд, задача формирования сложной схемы соединения 5000 аксонов фоторецепторов, необходимой для суперпозиции нейронов, решается при помощи всего шести разных программ роста аксонов фоторецепторов в процессе развития глаза. Очевидно, чтобы направить каждый из приблизительно 5000 аксонов фоторецепторов к своей мишени, не требуется никаких сложных направляющих меток.

Но помогает ли это исследование понять, как формируются нейронные связи в мозге млекопитающих? В мозге человека нет прямых аналогов чрезвычайно четкой схемы организации нейронов глаза дрозофилы, но совершенно очевидно, что в разных областях мозга млекопитающих присутствует ограниченное число разных типов нервных клеток. Нейроны одного типа в мозге млекопитающего следуют очень похожим схемам ветвления аксона и дендритов, устанавливая между собой уникальные связи. Конечно, на формирование этих связей в процессе эмбрионального и раннего постнатального развития могут влиять внешние факторы. В числе этих факторов — сигнальные молекулы и даже электрические сигналы нейрону от других нейронов в цепи. Как бы то ни было, это исследование, проведенное на дрозофилах, напоминает нам о существовании альтернативных путей формирования связей в сложной нейронной сети. Оно даже внушает некоторый оптимизм в отношении клинических подходов к восстановлению нейронов после инсульта или травмы^[27]. Памятуя о том, как развивалась нейробиология, можно ожидать, что этот эксперимент с дрозофилами поможет лучше понять, как простые правила регулируют сложные связи нейронов в мозге человека^[28].

С момента рождения наше восприятие мира формируется в процессе постоянного разговора мозга с самим собой

Сэм Вонг

НОВОРОЖДЕННЫЙ НЕ ЗНАЕТ, в каком мире ему предстоит жить. На каком языке будут говорить окружающие его люди? Будет ли вознаграждено его упорство? Какая пища будет ему доступна? Многие потребности растущего ребенка связаны с условиями той среды, в которой он растет. Мозг адаптируется к широкому диапазону возможностей, потому что развивающиеся нейронные цепи в значительной степени определяются опытом. Ребенок, в мозге которого поначалу отсутствуют необходимые связи для обработки лавины поступающей информации, каким-то образом постепенно учится ее осмыслять.

С этой задачей мозг по большей части справляется самостоятельно — он сам себя «выстраивает»^[29]. Многим людям мозг представляется вычислительной машиной, которая запрограммирована на осмысление входящей информации и выработку соответствующих действий. Но сравнение с компьютером не учитывает, что мозг не вынимают из коробки уже готовым к работе^[30]. Для формирования мозга требуются годы, причем немалая часть «строительных работ» выполняется спустя значительное время после рождения. Этот процесс сопровождается грандиозными изменениями. Мозг новорожденного младенца весит приблизительно полкилограмма, и синаптических связей в нем в три раза меньше, чем в мозге взрослого человека. Более того, в течение первого года жизни эти связи, как правило, исчезают и заменяются новыми. Эти по большей части временные связи изначально не предназначены для выполнения задач, с которыми должен справляться двухлетний ребенок, не говоря уже о взрослом.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

9

F. Galton, Inquiries into Human Faculty and Its Development (London: J. M. Dart, 1907), доступно на сайте www.galton.org.

10

D. K. Belyaev, «Destabilizing Selection as a Factor in Domestication», Journal of Heredity 70 (1979): 301–308 (на русском языке: Беляев Д. К. Дестабилизирующий отбор как фактор доместикации // Генетика и благосостояние человечества. М.: Наука, 1981); L. Trut, «Early Canid Domestication: The Farm-Fox Experiment», American Scientist 87 (1999): 160–169.

11

T. J. Bouchard, D. T. Lykken, M. McGue, N. L. Segal, and A. Tellegen, В «Sources of Human Psychological Differences: The Minnesota Study of Twins Reared ApartВ», Science 250 (1990): 223–228.

12

N. L. Segal, Born Together — Reared Apart: The Landmark Minnesota Twin Study (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012).

13

Тезис «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов» — это сокращенный вариант более точного утверждения: «у разнояйцевых близнецов вероятность наследования одного и того же варианта любого гена от каждого из родителей составляет 50 %». Например, если у матери есть два разных варианта гена, определяющего цвет глаз, то каждый из близнецов с вероятностью 50 % унаследует первый вариант и с вероятностью 50 % — второй. Из этого утверждения читатель без труда выведет все возможные комбинации наследования и увидит, что в среднем разнояйцевые близнецы в половине случаев наследуют один и тот же вариант гена, а в другой половине случаев — разные.

14

Важно подчеркнуть, что результаты теста на IQ, как и всех стандартизированных тестов, следует интерпретировать с учетом культурного контекста. Несмотря на то, что существование и измеримость «врожденного» интеллекта можно считать общепризнанными, маловероятно, что стандартизированный тест позволит измерить его объективно, без искажений, вызванных культурными стереотипами.

15

L. J. Eaves, H. J. Eysenck, and N. G. Martin, Genes, Culture, and Identity: An Empirical Approach (New York: Academic Press, 1989).

16

G. E. McLearn, B. Johnasson, S. Berg, N. L. Pederson, F. Ahern, S. A. Petrill, and R. Plomin, «Substantial Genetic influence on Cognitive Abilities in Twins 80 or More Years Old», Science 276 (1997): 1560–1563.

17

E. S. Lander, «Initial Impact of the Sequencing of the Human Genome», Nature 470 (2011): 187–197.

18

Теоретически нейронные связи могли бы выстраиваться, подчиняясь комбинаторному коду. Однако даже если бы несколько сотен сигнальных молекул сгенерировали множество уникальных комбинаций, это не решило бы проблему, поскольку задача найти точное место каждой из таких молекул в селективном кодировании крайне сложных моделей формирования связей между миллиардами нейронов выглядит не менее трудной.

19

S. Ramón y Cajal, Histology of the Nervous System, trans. N. Swanson and L. W. Swanson (Oxford: Oxford University Press, 1995; впервые издана на испанском языке в 1909 году).

20

J. DeFelipe, Cajal’s Butterflies of the Soul (Oxford: Oxford University Press, 2010).

21

A. L. Kolodkin and M. Tessier-Lavigne, «Mechanisms and Molecules of Neuronal Wiring: A Primer», Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 3 (2011): 1–14.

22

S. Benzer, В «From Gene to BehaviorВ», Journal of the American Medical Association 218 (1971): 1015–1022; D. Anderson and S. Brenner, В «Obituary: Seymour Benzer (1921–2007)В», Nature 451 (2008): 139.

23

E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232. Такая организация нейронных связей у «продвинутых» мух, таких как дрозофила, называется суперпозицией нейронов, и мы пока не знаем, каким образом формируется сложная схема связей между фоторецепторами соседних омматидиев и одним патроном ламины.

24

E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232.

25

M. L. Langen, E. Agi, D. J. Altschuler, L. F. Wu, S. J. Altschuler, and P. R. Hiesinger, «The Developmental Rules of Neural Superposition in Drosophila», Cell 162 (2015): 120–133.

26

Нейроны фоторецепторов были помечены путем встраивания гена медузы, кодирующего зеленый флуоресцентный белок (GFP). В результате отдельные помеченные фоторецепторы в глазу дрозофилы светились, и ученым удалось пронаблюдать рост их аксонов в реальном времени.

27

Один из исследуемых методов замещения нейронов, поврежденных в результате инсульта или травмы, заключается в непосредственном введении в поврежденный мозг человека нервных клеток определенного типа, полученных из стволовых клеток. Вполне вероятно, что нервные клетки этого типа подчиняются внутренним программам роста, и эти программы помогут новым нейронам встроиться в существующие цепи и тем самым поспособствуют восстановлению нервной системы.

28

Я благодарю Томаса Ллойда за рис. 2А и Натали Хэмилтон за рис. 2B–2D.

29

S. Aamodt and S. Wang, Welcome to Your Child’s Brain: How the Mind Grows from Conception to College (New York: Bloomsbury, 2011).

30

Некоторые действия новорожденного носят автоматический характер. Например, младенец сразу после рождения умеет делать простейшие вещи, в том числе искать и сосать материнскую грудь.