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

Совокупная длина этих аксонов составляет примерно 150 тысяч километров… Эта грубая оценка сделана исходя из предположения, что плотность аксонов в белом веществе головного мозга повсюду такая же, как в мозолистом теле, т. е. около 380 тысяч аксонов на квадратный миллиметр (Aboi tiz et al., 1992). При этом предполагается, что общий объем белого вещества составляет около 400 кубических сантиметров (Rilling, Insel, 1999).

Миелинизация ускоряет распространение нервных импульсов… Миелин служит изолятором, препятствующим утечке электрического тока за пределы аксона. Такое изолирование резко увеличивает скорость распространения электрических сигналов. По миелинизированным аксонам они несутся в десять (или даже больше) раз быстрее, чем по аксонам, не покрытым миелином. Миелиновая оболочка – выросты глиальных клеток. Так называемые клетки Шванна миелинизируют аксоны периферической нервной системы (ПНС), а олигодендроциты миелинизируют аксоны ЦНС.

…аксон входит в какой-то участок серого вещества и разветвляется там… Если аксон не разветвляется в данной области, он, как правило, проходит сквозь нее, не образуя синапсов.

…наше собственное белое вещество пока остается почти совершенно неизученным. Раньше белое вещество мозга животных изучали, вводя вещество-метку. Такие вещества захватываются нейронами в точке введения и затем по аксонам разносятся в другие участки мозга. Получая картину распределения вещества-метки, можно выявить, какие участки мозга связаны с местом введения вещества. Данные таких экспериментов обобщили Феллеман и ван Эссен (Felleman, Van Essen, 1991) в попытке картографировать зональный коннектом для мозга обезьяны (см. рис. 51). В рамках проекта «Архитектура мозга», которым руководит Парта Митра (Partha Mitra), ученые регулярно применяют введение таких меток, стремясь построить полную карту дальних связей мозга грызуна. Однако метку следует вводить, пока мозг еще жив, поскольку ее перенос зависит от активных процессов в живых нейронах. Таким образом, введение метки – инвазивный метод, который применяют лишь при изучении мозга животных. Для человеческого мозга, изучаемого посмертно, этот метод работать не будет. (Некоторые липофильные красители распространяются и без таких процессов активного переноса, но эти вещества трудно использовать в качестве меток для мертвого мозга, поскольку их распространение идет слишком медленно.) Мое предложение – использовать для этих целей серийную оптическую микроскопию, которая не требует применения меток. Не будем окрашивать небольшой пучок аксонов: окрасим все миелинизированные аксоны белого вещества и сделаем их снимки под микроскопом. Такой метод, вероятно, можно будет применять для исследования умершего человеческого мозга. Более того, высокое пространственное разрешение оптической микроскопии позволит избежать двояких толкований результатов, которое зачастую возможно при дМРТ. Мой вариант служит примером «массированной реконструкции», при которой полная карта строится по одному-единственному мозгу, а не путем комбинации данных, полученных при изучении множества мозгов.

Диффузионная МРТ. Метод основан на измерении скорости диффузии молекул воды в мозгу. Эта скорость зависит, в частности, от направления движения молекул. Так, диффузия воды вдоль осей аксонов происходит быстрее, чем в перпендикулярном направлении.

…пересмотреть речевую модель Брока – Вернике. Fried erici, 2009.

…микроскопия и МРТ будут по-прежнему идти рука об руку, дополняя друг друга. Мы говорили в основном о сравнении коннектомов различных людей с помощью микроскопии. Такой подход дает «снимки» коннектомов в данный момент времени. Сопоставление этих снимков может кое-что поведать нам о том, как мозг меняется из-за определенных вмешательств в его работу. (Вспомните: эксперименты Розенцвейга с обогащением среды и опыты Антонини и Страйкера по монокулярной депривации зрительной зоны V1 предполагали сравнение разных животных или их групп.) Но ведь мы можем захотеть провести сравнение коннектомов отдельного существа в разное время. К сожалению, пока не придумано подходящего способа это сделать. Неинвазивные методы вроде МРТ позволяют отслеживать эволюцию коннектома во времени, но не обеспечивают должного разрешения, чтобы наблюдать отдельные нейроны. Таким разрешением обладают некоторые виды микроскопии, и существуют способы усовершенствовать процесс получения «моментальных снимков» с их помощью – обращая особое внимание на изменения в коннектоме. Уже сейчас есть методы окрашивания, делающие видимыми недавно укрепившиеся синапсы, как и методы окрашивания, делающими видимыми недавно возникшие нейроны. Важно разработать способы помечать недавно возникшие синапсы, как и те места, где синапсы недавно исчезли. С помощью таких изображений мы сможем не только количественно оценить баланс создания и исчезновения синапсов, но и пойти дальше, поскольку каждый возникающий и исчезающий синапс можно рассматривать в контексте всей нейронной сети. Мы будем точно знать, каким образом возникновение и исчезновение синапсов изменяет схему нейронных связей: это куда лучше грубой оценки общего числа синапсов. Возможно, всё это позволит нам обнаруживать даже самые тонкие изменения коннектома, а также выяснять, влияют ли на эти изменения на повседневный процесс обучения.

…посмертные мозги… Я уже говорил, что двухфотонный микроскоп можно применять для наблюдения нейронов живого мозга. Но для этого нужно вскрыть черепную коробку или хотя бы сделать ее кости тоньше. И потом, метод годится лишь для изучения нейронов, находящихся вблизи поверхности мозга, если только мы не вставляем в глубину мозга оптоволоконную трубку – процедура куда более инвазивная. Кроме того, всё это покажет нам лишь разреженные нейриты, т. е. отростки нейронов, уложенные не слишком плотно.

…нас ждут новые трудности. После смерти мозг может не так уж хорошо сохраниться. В нем будут наблюдаться аномалии, не связанные с изучаемым психическим заболеванием: к примеру, повреждения, вызванные инсультом. Кроме того, мозг меняется и под влиянием лекарств, если пациент принимал их в ходе лечения своей психической болезни.

Аномальные гены, отвечающие за аутизм и шизофрению, исследователи встраивают в геном животных… Nestler, Hyman, 2010.

…вирус обезьяньего иммунодефицита… Согласно одной из теорий, ВИЧ возник в результате мутации вируса обезьяньего иммунодефицита и его переноса с обезьян на человека.

…БА сопровождается аномально высоким ростом содержания бляшек и тромбов в мозгу… Oddo et al., 2003.

«…исследовать биологические явления в реальном времени, беспристрастно и без теоретизирования». Lander, 2011.

…возникают благодаря озарению или проблеску вдохновения. А иногда гипотеза возникает благодаря тому, что под рукой оказываются те или иные приборы для измерений. Так, Гальтон предполагал, что ум зависит от размеров головы, в основном из-за того, что мог измерить ее размер, а не из-за того, что это была такая уж блестящая гипотеза.

Глава 13. Внесение изменений

…разработал первые препараты для борьбы с сифилисом, облегчив страдания миллионов. Bosch, Rosich, 2008.

…возможно, на такое название его как раз и вдохновила популярная опера Вебера. Strebhardt, Ullrich, 2008.

…последнее средство, когда все иные методы лечения оказываются неэффективными. В работе Машура, Уолкера и Мартузы (Mashour, Walker, Martuza, 2005) рассматривается современная практика психохирургии и история фронтальной лоботомии – процедуры, за разработку которой португальский врач Эгас Мониз получил в 1949 году Нобелевскую премию. Лоботомия ослабляла симптомы психоза, однако делала пациента, подвергшегося такой операции, умственно-психическим инвалидом. Вскоре стало очевидно, что побочные последствия такого вмешательства перевешивают пользу от него. Из-за того что хирурги частенько злоупотребляли подобными операциями, многие полагают, что премия, присужденная Монизу, только позорит Нобелевский комитет. Однако некоторые историки науки заявляют, что применение психохирургии было вполне оправданно до изобретения антипсихотических препаратов, когда единственной альтернативой операции являлось помещение пациента в клинику для душевнобольных. Своей дурной славой эта процедура во многом обязана американскому эскулапу Уолтеру Фримену, который разработал ее модификацию под названием «трансорбитальная лейкотомия». В ходе этой варварской операции, прозванной «лоботомией пестиком», с помощью специального молоточка, напоминающего пестик для колки льда, заостренный инструмент втыкали, минуя глаз, прямо в глазную впадину, чтобы он достал до мозга. Двигая концом инструмента вверх-вниз, разрушали ткани лобной доли. Усовершенствование, придуманное Фрименом, настолько ускорило и облегчило осуществление этой операции, что ее теперь могли проводить и те, кто не являлся хирургом и вообще медиком.