Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Обычно мы используем термин «ионный канал», описывая любой тип белка, имеющего такой туннель, который позволяет электрическому току идти через мембрану. (Ионы – заряженные частицы, проводящие ток в растворах.) Многие типы ионных каналов не относятся к рецепторам. Некоторые позволяют нейрону давать пики; другие оказывают более тонкое воздействие на электрические сигналы, путешествующие между нейронами. Если ваш геном, паче чаяния, содержит аномальную ДНК-последовательность для рецептора или ионного канала, это плохо скажется на функционировании мозга. Заболевание, вызванное дефектами ДНК-последовательности, отвечающей за ионные каналы, называется каналопатией. Неправильное функционирование ионных каналов может привести к неконтролируемому возбуждению (пикообразованию), вызывающему эпилептические припадки.

Существуют и другие типы белков – упаковывающие нейротрансмиттер в везикулы или помогающие опорожнить везикулы в синаптическую щель, когда приходит нервный импульс. Есть белки, способствующие разложению или повторному использованию нейротрансмиттера, попавшего в щель, чтобы он не задерживался в ней слишком долго или не уплыл к другим синапсам. Этот список – лишь верхушка айсберга. На самом деле пикообразование и секрецию обслуживает целая армия разнообразных белков. И дефекты в любом из них могут привести к развитию мозговых заболеваний.

Впрочем, функционирование мозга может нарушиться и по ряду других причин. Дефектные гены способны оказывать не только непосредственное воздействие «в настоящем времени»: иногда они оставляют следы в прошлом, негативно влияя на развитие юного мозга, что сказывается в дальнейшем.

Грубо говоря, мозг растет и развивается в четыре стадии. Нейроны создаются («рождаются») путем деления клеток, перемещаются на свои места в мозгу, раскидывают ветви и завязывают связи. Неполадки на любой из этих стадий могут привести к аномалиям в мозгу.

Что произойдет, если создание новых нейронов окончится неудачей? В пакистанском городе Гуджрат есть храм, воздвигнутый в честь святого XVII века по имени Шуа Дулах. В этом храме столетиями оставляли младенцев, родившихся с аномально маленькой головой. В Пакистане таких детей называли чуа – «крысиным народцем» (возможно, потому что их лица вытягивались вперед, словно морда крысы). Иногда детей чуа эксплуатировали их «хозяева», отправлявшие бедняжек просить милостыню и затем отбиравшие полученные деньги. Местные жители рассказывали всевозможные предания, объясняющие существование чуа. Согласно одной из жутких историй, чуа появлялись так: злые люди надевали на головы новорожденных металлические или глиняные колпаки, чтобы задержать рост их мозга.

На самом деле чуа появлялись на свет с врожденной болезнью – конгенитальной микроцефалией. При наиболее «чистой» форме микроцефалии (microcephaly vera) единственная аномалия – слишком маленькие размеры мозга при рождении. Кора головного мозга имеет меньшие размеры, однако узор складок и другие структурные свойства в общем нормальны. Неудивительно, что меньшие размеры коры при такой форме микроцефалии приводят к отставанию в умственном развитии.

Ученые установили, что эту разновидность болезни могут вызывать дефекты в целом ряде генов (в том числе в микроцефалине и гене ASPM[11]). Они кодируют белки, контролирующие возникновение кортикальных нейронов (то есть нейронов коры головного мозга). Дефекты в таких генах сокращают количество нейронов и приводят к микроцефалии. Поскольку в клетке есть две копии каждого гена, одна дефектная копия при наличии второй здоровой может и не вызывать никаких симптомов этого заболевания: одной правильной копии достаточно, чтобы мозг рос и развивался нормально. Но если два носителя заболевания, мать и отец, передадут по одной дефектной копии своему ребенку, тот точно родится микроцефалом. Обычно такое происходит редко, но в Пакистане это случается чаще из-за большой доли близкородственных браков – между двоюродными братьями и сестрами. (Поскольку кузены и кузины имеют большое генетическое сходство, вероятность того, что оба родителя окажутся носителями болезни, для них выше, чем для случайно выбранной пары.)

Может нарушаться и вторая стадия в развитии мозга – миграция нейронов на нужные места. При лиссэнцефалии (термин происходит от греческих корней, означающих «гладкий мозг») в коре не хватает складок, благодаря которым она обычно выглядит сморщенной. Возникают и другие структурные аномалии, они хорошо видны под микроскопом. Такое заболевание обычно сопровождается значительной задержкой умственного развития и эпилепсией. Причина лиссэнцефалии – мутации генов, контролирующих миграцию нейронов во время созревания плода.

Эти две стадии развития мозга относятся к пренатальному (дородовому) периоду. Однако к моменту рождения младенца создание и миграция нейронов уже практически завершены. Возможно, вы слышали о том, что при рождении у вас уже есть все ваши нейроны, и новых почти не появится. (Существует лишь несколько областей мозга, где нейроны продолжают возникать и после рождения.) Но это не значит, что развитие мозга закончилось. Нейроны продолжают отращивать ветви и спустя долгое время после вашего появления на свет. Этот процесс называют «подключением» мозга, поскольку аксоны и дендриты напоминают провода. Аксонам предстоит вырасти сильнее всего, ведь они гораздо длиннее дендритов. Вообразите себе крошечный растущий кончик аксона – «конус роста» (у него, грубо говоря, коническая форма). В мозгу он способен проходить огромные расстояния – так, если бы конус роста был размером с человека, его путь можно было бы сравнить с путешествием на другой конец города, в котором вы живете! Как же конусу роста удается не заблудиться? Это явление изучали многие нейробиологи. Они обнаружили, что конус роста ведет себя подобно псу, который по запаху находит дорогу домой. Поверхность нейронов покрыта особыми молекулами-гидами, они играют роль запахов, к которым принюхивается собака, обследуя землю на своем пути. В свою очередь, межнейронное пространство содержит движущиеся молекулы, также относящиеся к категории «гидов» и играющие роль запахов в воздухе, к которым тоже принюхивается заблудившийся пес. Растущие конусы снабжены молекулярными сенсорами, которые способны улавливать «запах» молекул-гидов и благодаря этому добираться до цели. Выработка молекул-гидов и их сенсоров также находится под генетическим контролем. Вот каким образом гены управляют подключением мозга.

Если аксоны не растут как надо, происходит «неправильное подключение». Вспомним о мозолистом теле (corpus callosum), это – толстый пучок из двухсот миллионов аксонов, соединяющих левое и правое полушария головного мозга. В редких случаях мозолистое тело частично или полностью отсутствует. К счастью, подобные изменения не так сильно сказываются на человеке, как микроцефалия. «Неверное подключение» может вызывать дефекты во многих генах, в том числе и тех, которые направляют аксоны при их росте.

На протяжении почти всего путешествия через мозг аксоны растут по прямой, подобно стволу дерева. Но как только конус роста достигает конечного пункта назначения, аксон начинает ветвиться. У специалистов есть основания полагать, что это финальное разветвление уже не столь строго контролируется генами. Если это так, узор ветвей нейрона в большой степени формируется под действием случайных факторов, хотя общая его форма, возможно, определяется факторами генетическими. Точно так же сосны в лесу выглядят похожими, так как являются плодом одного генетического плана. Однако нет двух деревьев, чьи ветви совершенно идентичны друг другу, поскольку на их рост влияет множество случайностей, а также характеристик той среды, в которой растет дерево.

После того как провода в мозгу протянуты, нейроны соединяются друг с другом, создавая синапсы. Я уже говорил о том, что существует гипотеза, согласно которой процесс возникновения синапсов идет случайным образом: когда нейроны контактируют друг с другом, есть некоторая вероятность, что в результате появится синапс. Генетический контроль этого процесса также возможен, поскольку нейроны различных типов, возможно, способны опознавать друг друга посредством молекулярных сигналов и на основе этих данных «решать», соединяться ли. (О типах нейронов – чуть позже.)

Итак, первоначальный коннектом, возникающий на самом раннем этапе развития организма, во многом является результатом деятельности генов и фактора случайности. Ученые продолжают изучать, какой вклад вносит то и другое. По одной из теорий гены проявляют свое влияние главным образом путем контроля за тем, как подключаются «провода» в мозгу. Гены определяют примерную форму нейрона и структуру той области, в которой он раскидывает свои отростки. Если области, которые занимают два нейрона, перекрываются, есть возможность наладить связь между ними. Но осуществится ли эта связь в действительности? Тут уже гены не властны. Вначале все зависит от случайных встреч между ветвями в тех областях, которые заданы генетически, и от случайного возникновения синапсов при этих встречах. Но по мере развития организма коннектом начинают формировать приобретаемые впечатления и опыт. Как же это происходит?