Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещениями ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно – не более миллиметра за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из особого вещества – миелина, препятствующего притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна – через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного "окна" в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки (их называют пузырьками), в каждом из которых находятся особые соединения – нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается и процесс действия передается дальше.
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто расщепиться, а могут вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие – оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Нарушается вся цепочка передачи импульсов, что проявляется в необъяснимом и неадекватном поведении человека.
Глава 3. Нервные клетки не восстанавливаются?
Мы с детства слышим это выражение. Но последние исследования позволяют усомниться в такой аксиоме. Есть теория, согласно которой каждый из нас имеет неисчерпаемый запас нейронов.
Природа закладывает в развивающийся мозг очень высокий запас прочности: в эмбрионе образуется большой избыток нейронов. Почти 70 % из них гибнут еще до рождения ребенка. Человеческий мозг продолжает терять нейроны и после рождения, на протяжении всей жизни. Такая гибель клеток генетически запрограммирована. Конечно же, погибают не только нейроны, но и другие клетки организма. Только все остальные ткани обладают высокой регенерационной способностью, то есть их клетки делятся, замещая погибшие. Но есть клетки, в которых гены, отвечающие за размножение делением, заблокированы (помимо нейронов к таким клеткам относятся клетки сердечной мышцы). Как же люди умудряются сохранить интеллект до весьма преклонных лет, если нервные клетки погибают и не обновляются?
Одно из возможных объяснений: в нервной системе одновременно "работают" не все, а только 10 % нейронов. Этот факт часто приводится в популярной и даже научной литературе. Правда, никто не понимает, откуда взялась такая цифра. Любая клетка одновременно и живет, и "работает". В каждом нейроне все время происходят обменные процессы, синтезируются белки, генерируются и передаются нервные импульсы. Поэтому, оставив гипотезу об "отдыхающих" нейронах, обратимся к одному из свойств нервной системы, а именно – к ее исключительной пластичности.
Смысл пластичности в том, что функции погибших нервных клеток берут на себя их оставшиеся в живых "коллеги", которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя утраченные функции. Высокую, но не беспредельную эффективность подобной компенсации можно проиллюстрировать на примере болезни Паркинсона, при которой происходит постепенное отмирание нейронов. Оказывается, пока в головном мозге не погибнет около 90 % нейронов, клинические симптомы заболевания (дрожание конечностей, ограничение подвижности, неустойчивая походка, слабоумие) не проявляются, то есть человек выглядит практически здоровым. Значит, одна живая нервная клетка может заменить девять погибших.
Но пластичность нервной системы – не единственный механизм, позволяющий сохранить интеллект до глубокой старости. У природы имеется и запасной вариант – возникновение новых нервных клеток в головном мозге взрослых млекопитающих, или нейрогенез.
Первое сообщение о нейрогенезе появилось в 1962 году в престижном научном журнале Science. Статья называлась "Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?". Ее автор, профессор Жозеф Олтман из Университета Пердью (США), с помощью электрического тока разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввел туда радиоактивное вещество, проникающее во вновь возникающие клетки. Через несколько месяцев ученый обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе (участок переднего мозга) и коре головного мозга. В течение последующих семи лет Олтман опубликовал еще несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге взрослых млекопитающих. Однако тогда, в 1960-е годы, его работы вызывали у нейробиологов лишь скепсис, их развития не последовало.
И только спустя двадцать лет нейрогенез был вновь "открыт", но уже в головном мозге птиц. Многие исследователи певчих птиц обращали внимание на то, что в течение каждого брачного сезона самец канарейки исполняет песню с новыми "коленами". Причем новые трели он не перенимает у собратьев, поскольку песни обновлялись и в условиях изоляции. Ученые стали детально изучать главный вокальный центр птиц, расположенный в специальном отделе головного мозга, и обнаружили, что в конце брачного сезона (у канареек он приходится на август и январь) значительная часть нейронов вокального центра погибала, – вероятно, из-за избыточной функциональной нагрузки. В середине 1980-х годов профессору Фернандо Ноттебуму из Рокфеллеровского университета (США) удалось показать, что у взрослых самцов канареек процесс нейрогенеза происходит в вокальном центре постоянно, но количество образующихся нейронов подвержено сезонным колебаниям. Пик нейрогенеза у канареек приходится на октябрь и март, то есть через два месяца после брачных сезонов. Вот почему "фонотека" песен самца канарейки регулярно обновляется.
Но откуда берутся новые нейроны, если нервные клетки не делятся? Источником новых нейронов и у птиц, и у амфибий оказались стволовые клетки стенки желудочков мозга. Во время развития зародыша именно из этих клеток образуются клетки нервной системы: нейроны и клетки глии. Но не все стволовые клетки превращаются в клетки нервной системы – часть из них "затаивается" и ждет своего часа.
Развитие нейробиологии в начале 1990-х годов привело к обнаружению "новорожденных" нейронов в головном мозге взрослых крыс и мышей. Их находили большей частью в эволюционно древних отделах головного мозга: обонятельных луковицах и коре гиппокампа, которые отвечают главным образом за эмоциональное поведение, реакцию на стресс и регуляцию половых функций млекопитающих.
Так же, как у птиц, у млекопитающих нейрональные стволовые клетки располагаются поблизости от боковых желудочков мозга. Их перерождение в нейроны идет очень интенсивно. У взрослых крыс за месяц из стволовых клеток образуется около 250 000 нейронов, замещая 3 % всех нейронов гиппокампа. Продолжительность жизни таких нейронов очень высока – до 112 дней. Стволовые нейрональные клетки преодолевают длинный путь (около 2 см). Они также способны мигрировать в обонятельную луковицу, превращаясь там в нейроны.
Обонятельные луковицы головного мозга млекопитающих отвечают за восприятие и первичную обработку различных запахов, включая и распознавание феромонов – веществ, которые по своему химическому составу близки к половым гормонам. Сексуальное поведение у грызунов регулируется в первую очередь выработкой феромонов. Гиппокамп же расположен под полушариями мозга. Функции этой сложноорганизованной структуры связаны с формированием краткосрочной памяти, реализацией некоторых эмоций и участием в формировании полового поведения. Наличие у крыс постоянного нейрогенеза в обонятельной луковице и гиппокампе объясняется тем, что у грызунов эти структуры несут основную функциональную нагрузку. Поэтому нервные клетки в них часто гибнут, а значит, их необходимо обновлять.
Для того чтобы понять, какие условия влияют на нейрогенез в гиппокампе и обонятельной луковице, профессор Гейдж из Университета Салка (США) построил миниатюрный город. Мыши там играли, занимались физкультурой, отыскивали выходы из лабиринтов. Оказалось, что у "городских" мышей новые нейроны возникали в гораздо большем количестве, чем у их пассивных сородичей, погрязших в рутинной жизни в виварии.
Стволовые клетки можно извлечь из мозга и пересадить в другой участок нервной системы, где они превратятся в нейроны. Профессор Гейдж с коллегами провел несколько подобных экспериментов, наиболее впечатляющим среди которых был следующий: участок мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадили в разрушенную сетчатку глаза крысы. Пересаженные стволовые клетки мозга превратились в нейроны сетчатки, их отростки достигли зрительного нерва, и крыса прозрела! Причем при пересадке стволовых клеток мозга в неповрежденный глаз никаких превращений с ними не происходило. Вероятно, при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то вещества (например, так называемые факторы роста), которые стимулируют нейрогенез. Однако точный механизм этого явления до сих пор не ясен.
Перед учеными встала задача показать, что нейрогенез идет не только у грызунов, но и у человека. Для этого исследователи под руководством профессора Гейджа недавно выполнили сенсационную работу. В одной из американских онкологических клиник группа больных, имеющих неизлечимые злокачественные новообразования, принимала химиотерапевтический препарат бромдиоксиуридин. У этого вещества есть важное свойство – способность накапливаться в делящихся клетках различных органов и тканей. Бромдиоксиуридин включается в ДНК материнской клетки и сохраняется в дочерних клетках после деления материнской. Патологоанатомическое исследование показало, что нейроны, содержащие бромдиоксиуридин, обнаруживаются практически во всех отделах мозга, включая кору больших полушарий. Значит, эти нейроны были новыми клетками, возникшими при делении стволовых клеток. Находка безоговорочно подтвердила, что процесс нейрогенеза происходит и у взрослых людей. Но если у грызунов нейрогенез идет только в гиппокампе, то у человека, вероятно, он может захватывать более обширные зоны головного мозга, включая кору больших полушарий.
Недавно проведенные исследования показали, что новые нейроны во взрослом мозге могут образовываться не только из нейрональных стволовых, но и из стволовых клеток крови. Открытие этого феномена вызвало в научном мире эйфорию. Однако публикация в журнале "Nature" за октябрь 2003 года во многом остудила восторженные умы. Оказалось, что стволовые клетки крови действительно проникают в мозг, но они не превращаются в нейроны, а сливаются с ними, образуя двуядерные клетки. Затем "старое" ядро нейрона разрушается, а его замещает "новое" ядро стволовой клетки крови. Пока совершенно непонятно, какой в этом физиологический смысл. Одна из гипотез заключается в том, что стволовые клетки крови несут с собой новый генетический материал, который, попадая в "старую" клетку мозжечка, продлевает ей жизнь.
Итак, новые нейроны могут возникать из стволовых клеток даже в мозге взрослого человека. Этот феномен уже достаточно широко применяется для лечения различных нейродегенеративных заболеваний (заболеваний, сопровождающихся гибелью нейронов головного мозга). Наибольшая сложность в работе с эмбриональными клетками – заставить их трансформироваться в нейроны. Но есть надежда, что новые технологии позволят сделать и это.
Глава 4. Будущее за нейрофизикой
Итак, мы знаем, как устроен нейрон, понимаем принцип функционирования нервной системы и представляем, что происходит в мозге человека. Но можно ли научиться декодировать мысли человека и животных? Реально ли создать приспособления, передающие мысли на машинные устройства, и направленно управлять поведением, воздействуя на нейроны головного мозга?
На все эти вопросы ведущий российский нейробиолог Константин Анохин отвечает утвердительно. И хотя пока это может казаться фантастикой, но уже ведутся серьезные исследования по созданию технологий, воплощающих в жизнь эти невероятные возможности.
Константин Анохин заявляет: "Работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга"
Наибольшую известность в области разработки мозгомашинных интерфейсов получили эксперименты бразильского нейробиолога Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis), начатые в конце 1990-х годов. Внедряя в мозг обезьяны несколько электродов, ученый добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и ее роботизированного аналога. Имплантированные электроды обеспечивали двустороннюю связь мозговых клеток обезьяны и датчиков, установленных на роботе. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как рука робота в точности повторяла ее жест. Таким образом ученые смогли добиться результата использования мозговой деятельности обезьяны для управления роботом. Чтобы эффектно это продемонстрировать, Николелис провел эксперимент между Японией и США: обезьяна в США мыслит, что она сгибает руку, а механическая рука в Японии совершает эти действия.
В мозг же человека электрод, выполняющий функцию интерфейса, вживили в 2005 году. Это сделала группа ученых во главе с Джоном Донахью (John Donoghue), известным физиологом из Университета Брауна (США) и основателем компании Cyberkinetics Neurotechnology Systems. Пациенту, парализованному после инсульта, в мозг ввели микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы его мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором. Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Функциональность устройства навела ученых на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживленных в него электродов.
Но если проникнуть в хитросплетение нейронов мозга еще глубже и попытаться "считать" информацию с каждого нейрона, то можно вплотную подойти к разгадке тайны и проникнуть в мысли человека. В практике до этого пока никто не дошел, но принципиальная возможность такого явления доказана.
"Я бы сравнил демонстрацию опытов по чтению мыслей с первой фазой космического проекта, – говорит Константин Анохин. – Проблема космических путешествий пока не решена: пройдут десятилетия, прежде чем люди будут свободно перемещаться с одной планеты на другую. Но выход человека в космос свидетельствует, что это возможно. Аналогично и с декодированием мыслей. Эксперименты показывают, что не существует теоретического запрета для выполнения этих задач. Все остальное зависит от времени и развития технологий".
Важнейшие решения в этой области – разработка технологий, которые будут соединять задачи построения интерфейсов и изучения глубоких процессов активности отдельных клеток головного мозга. Именно это сделает возможным считывание мыслей как объективный процесс.
В России работы по созданию мозгомашинных интрефейсов начались в 2003–2004 годах. Это направление активно развивается. Но в основном разрабатываются поверхностные интерфейсы. С глубокими, по словам г-на Анохина, пока не работает ни одна российская лаборатория. Это направление планируют начать развивать в НИИ нормальной физиологии РАМН.
"По-настоящему интересная наука – та, которая не вылечивает никаких заболеваний и не приносит никаких денег, – говорит Константин Анохин. – Мысль ученого всегда стремится вверх, за горизонты, в те области, в которые еще не протоптаны пути и не проложены дороги, которые далеки от практического воплощения. Но работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга".
Часть VIII. Клетка хранит секрет бессмертия
Что такое старость? Это общее одряхление нашего тела. С возрастом органы изнашиваются и разрушаются. Происходит это потому, что каждая клетка тела может делиться ограниченное число раз. Но раз уж мы знаем секрет старения, может быть, сможем разгадать и загадку бессмертия? На сегодняшний день существует несколько подходов к этой теме.
Глава 1. Ключ – в белке
Извечная мечта человечества – найти уж если не секрет бессмертия, то хотя бы способ продления жизни. В экспериментах на животных установлено: если все время их кормить малокалорийной пищей, они живут дольше. Правда, при этом у них ухудшаются некоторые функции организма, в первую очередь – способность к воспроизводству (с большой вероятностью это справедливо и для людей, к примеру, чересчур увлекающихся вегетарианством). Экспериментально получены карликовые мыши, живущие дольше обычных, но у них снижена функция размножения. Ученые не оставляют надежду найти ген долголетия, который продлевал бы жизнь без нежелательных побочных эффектов.
В какой-то степени это удалось итальянским и американским исследователям. Они получили мышей с точечной мутацией гена, который кодирует определенный белок. Эти мыши не отличались от контрольных ни массой тела, ни физическим развитием, ни способностью к воспроизводству, но продолжительность их жизни увеличивалась на треть.
Выяснилось, что открытый белок участвует в ответе организма на факторы, вызывающие окисление (перекись водорода, радиация, ультрафиолетовый свет). При этом начинают окисляться важные для жизнедеятельности вещества, такие как липиды клеточных мембран. Этот процесс сопровождает, как правило, большинство патологических состояний, например старение. Стрессовый ответ организма выражается в повреждении или запрограммированной гибели клеток (апоптозе).