Учёным, исследующим свойства человеческого мозга, давно известно, что он работает как мощнейший компьютер и способен, к примеру, вместить всю информацию Интернета.

Однако пока что открыты далеко не все факторы, определяющие «вычислительные способности» нашего мозга.

Очередным открытием в этой области поделились исследователи из Массачусетского технологического института. Они впервые провели запись электрической активности нейронов со сверхвысоким уровнем детализации.

Важно пояснить, что наш мозг содержит 85-86 миллиардов нейронов, и каждый функционирует как возбуждаемый элемент. Он накапливает входящие электрические сигналы в своём теле (соме) и, когда напряжение достигает определённого предела, генерирует короткий электрический импульс, отправляющийся в разветвлённые отростки - дендриты. Отметим, что именно такой накопительный подход позволяет миллионам и миллиардам отдельных клеток функционировать как единое целое без общего «центра управления».

На концах дендрита каждого нейрона расположены мембранные выросты - шипики. Шипики одного нейрона соединяются с шипиками другого, формируя место контакта - синапс. Через них и осуществляется передача нервного импульса.

Авторы новой работы решили сравнить «способности» дендритов людей и модельных животных - крыс. Они предполагали, что именно различия в работе этих нейронных отростков отвечают за вычислительную мощность мозга и могут объяснить интеллектуальное превосходство людей над всеми остальными видами.

Эксперты поясняют: каждый нейрон может иметь до 50 дендритов, и у человека они гораздо длиннее, чем у крыс и большинства других животных. Поэтому кора головного мозга у нас намного толще: она составляет около 75% от общего объёма мозга (для сравнения: у крыс - около 30%).

Но, несмотря на эти различие, структурная организация этой области у грызунов и людей схожая: кора мозга состоит из шести разных слоёв нейронов. При этом нейроны из пятого слоя имеют возможность передать сигнал нейронам из первого слоя.

Но, раз у людей кора значительно толще, чем у животных, получается, что в ходе эволюции нейронам приходилось удлинять свои дендриты, чтобы дотянуться до других слоёв. Да и сами сигналы путешествуют по таким путям дольше.

"Дело не только в том, что люди умны, потому что у нас больше нейронов и большая кора. [Наши] нейроны и действуют по-другому", - рассуждает глава научной группы Марк Харнетт (Mark Harnett).

Чтобы подробнее изучить работу дендритов людей, исследователи использовали срезы мозговой ткани пациентов с эпилепсией. В ходе операций добровольцам удаляли небольшие (с ноготь человека) участки передней височной доли, чтобы получить доступ к нужному участку мозга.

Отмечается, что передняя височная доля отвечает за множество функций, включая лингвистическую и визуальную обработку информации, но удаление крошечного её участка не снижает работоспособность мозга. А для нейробиологов такие «живые» ткани - уникальные образцы для изучения.

Как только команда получила срезы, их сразу же поместили в растворы, имитирующие спинномозговую жидкость. Это позволило сохранять жизнеспособность тканей в течение 48 часов.

Затем учёные использовали электрофизиологическую методику под названием локальная фиксация потенциала, которая позволяет изучать свойства ионных каналов. Последних очень много во внешних мембранах дендритов, и они фактически отвечают за пропускную способность «канала».

Ранее аналогичные эксперименты проводились с тканями мозга грызунов, однако электрические свойства дендритов человека команда изучала впервые.

В результате специалисты обнаружили, что, поскольку дендриты людей длиннее крысиных, сигнал, приходящий от нейрона из первого слоя к нейрону пятого слоя, намного слабее, чем аналогичный сигнал у грызунов.

Также выяснилось, что дендриты человека и крысы имеют одинаковое количество ионных каналов, но в наших дендритах они имеют более низкую плотность из-за общего удлинения дендритов.

Может показаться, что такое отличие снижает работоспособность мозга, но на самом деле это не так. Напротив, для того чтобы направить сигнал в нужное место, тысячи синапсов каждого дендрита должны «коллективно» определить «шаблон ввода», поясняет Харнетт.

На основе новых данных его коллеги разработали подробную биофизическую модель, которая показывает, что изменение плотности ионных каналов может объяснить некоторые различия в электрической активности дендритов человека и крысы.

Согласно гипотезе Харнетта, из-за выявленных различий большее количество частей дендритов может влиять на силу входящего сигнала, что позволяет отдельным нейронам нашего мозга выполнять более сложные задачи и повышать вычислительную мощность. Клетки мозга сами становятся своего рода мини-компьютерами.

"В человеческих нейронах существует больше «электрической независимости», что потенциально приводит к увеличению вычислительных возможностей одиночных нейронов", - полагает учёный.

Впрочем, существует множество других различий в работе мозга человека и животных, поэтому, возможно, удлинение дендритов и связанные с этим изменения - это лишь одно из преимуществ, которые получили сапиенсы в ходе эволюции.

В дальнейшем нейробиологи намерены более подробно исследовать электрическую активность мозга людей и отыскать другие особенности, отвечающие за наши умственные способности.

Коллеги нейробиологов из MIT назвали это открытие «замечательным достижением».

"Это наиболее тщательно детализированные измерения физиологических свойств нейронов человека на сегодняшний день. Эти эксперименты очень сложны, даже когда работа проводится с [образцами тканей] мышей и крыс, поэтому с технической точки зрения довольно удивительно, что они смогли проделать это с тканями людей", - отметил Нельсон Спрустон (Nelson Spruston) из Медицинского института имени Говарда Хьюза.

Ранее, напомним, авторы проекта «Вести. Наука» (nauka.vesti.ru) сообщали о том, что мозг интеллектуалов формирует меньше связей между нейронами. Также учёные отыскали в мозге человека новый тип клеток и узнали, как мозгу удаётся работать в режиме многозадачности.

Чтобы кратковременная память превратилась в долговременную, в мозге должны образоваться новые межнейронные контакты, а формирование таких контактов лучше всего происходит во время сонной активности нервных клеток.

Превращение кратковременной памяти в долговременную называют консолидацией памяти, и нейробиологи усердно пытаются выяснить, как и почему это происходит. Довольно давно удалось выяснить, что консолидация памяти очень хорошо идёт во время сна. То есть, чтобы запомнить прочитанный перед экзаменом учебник, нужно поспать, тогда информация, что называется, уляжется в голове, то есть перейдёт в долговременное хранилище. Доказательств связи между сном и памятью довольно много. Например, исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что снотворные препараты не только нормализуют сон, но и улучшают память. А их коллеги из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогли описать информационные процессы в мозге, которые связаны с консолидацией памяти во время сна.

Дендритные шипики (окрашены зелёным) на поверхности нейронных отростков. (Фото skdevitt / Flickr.com.)

Дендритные шипики (синие точки) на нейроне. (Фото The Journal of Cell Biology / Flickr.com.)

То, что такой важный процесс происходит именно во сне, неудивительно: ведь давно уже все знают, что сон - лишь иная форма активности мозга. Считается, что специфические нейронные импульсы, «сонные» волны мозга связаны в том числе и с тем, что наша нервная система занимается сортировкой полученной днём информации, пока внешние сигналы не мешают. Но вот как при этом ведут себя нейроны, какие клеточные и молекулярные механизмы здесь задействованы, биологам долгое время выяснить не получалось.

Чтобы узнать, что же происходит с нейронами во время консолидации памяти, Вэнь-Бяо Гань (Wen-Biao Gan ) и его сотрудники из Нью-Йоркского университета создали генетически модифицированную мышь, у которой в нейронах моторной коры синтезировался флуоресцентный белок. С его помощью можно было наблюдать за изменениями в нервных клетках, например, где и когда образуются дендритные шипики, особые выросты на дендритных отростках нервных клеток. Появление шипика говорит о том, что в этом месте нейрон готов создать контакт с другим нейроном, иными словами, шипик предшествует синапсу. Благодаря синапсам образуются нейронные цепи, которые нужны для запоминания информации. Когда мы, например, учимся ездить на велосипеде, у нас в мозге складываются новые нервные цепи, которые возникли в ответ на необходимость по-новому координировать мышечные усилия. Потом, когда мы снова садимся на велосипед, эти нервные цепи снова включаются - если, конечно, они по какой-то причине не распались, если синапсы между нейронами не исчезли. Возвращаясь к дендритным шипикам, можно сказать, что они свидетельствуют о реакции нейрона на новую информацию и о готовности её запомнить.

Собственно, мышам в эксперименте устроили тоже что-то вроде велосипеда: животные должны были сохранять равновесие на вертящейся палке, которая вращалась всё быстрее и быстрее. Со временем мыши запоминали, что нужно делать, и уже не падали с неё. При этом у нейронов моторной коры появлялись те самые дендритные выросты - клетки понимали, что новый стимул важен для организма и готовились сформировать новые цепи. Тогда исследователи изменили условия опыта: мышей тренировали на поворачивающейся палке один час, но потом одних животных отправляли спать на семь часов, а другие должны были такое же время бодрствовать. Оказалось, что у тех мышей, которым разрешили поспать, дендритные шипики росли активнее. Иными словами, сон помогал нервным клеткам настроиться на запоминание новой информации.

Более того, характер появления дендритных выростов зависел от того, какое именно упражнение нужно было выполнить. Например, если мышь должна была идти по вращающейся палке в одну сторону, то шипики возникали на одних дендритах, а если нужно было идти в другую сторону, то шипики появлялись на других дендритах. То есть клеточная морфология нейронных отростков зависела от того, что за информацию нужно было обработать.

Наконец, нейробиологам удалось показать, что клетки моторной коры, от которых зависело выполнение упражнения, активировались во время медленно-волновой фазы сна. Такая активация во сне была важна для формирования пресловутых шипиков: если «сонную» активность клеток подавляли, то шипики не формировались. Это было похоже на то, как если бы мозг снова прокручивал для себя то, что он должен был недавно выполнять во время бодрствования - прокручивал, чтобы лучше запомнить.

В итоге получилась такая схема: нейроны во время бодрствования получают какой-то стимул или выполняют какую-то процедуру, затем во время сна эти клетки снова активируются, и такая повторная активация стимулирует клеточные перестройки, способствующие долговременному запоминанию стимула. То, что всё именно так и происходит, нейробиологи предполагали давно, однако сейчас удалось получить именно экспериментальное подтверждение, и не на каких-нибудь дрозофилах, а на мозге млекопитающих. Хотя, конечно, теперь учёным нужно выяснять, какие молекулярные процессы тут задействованы, что за гены и белки управляют увеличением дендритных шипиков во время сна, какие сигнальные пути тут работают и т. д.

К слову, о дрозофилах: несколько лет назад исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Висконсина в Мадисоне ставили похожие эксперименты с плодовыми мушками, и тогда результаты говорили о том же - что сон необходим для консолидации памяти. Однако при этом нейробиологи наблюдали очистку мозга дрозофил от синапсов, то есть происходило что-то вроде редакции нервных контуров, очистки нейронов от ненужных связей, которые отнимали бы ресурсы от нужных контактов. Скорее всего, такое устранение ненужных синапсов не есть специфический процесс, свойственный одним лишь насекомым (или членистоногим, или беспозвоночным), и в мозге высших животных в момент «сонного» закрепления памяти наряду с формированием новых синапсов происходит и разрыв старых - осталось только увидеть это в эксперименте.

Многие нервные клетки похожи на кусты или деревья: их выходной отросток, аксон, -- тонкий корешок этого дерева, все остальные многочисленные отростки -- дендриты. Дендриты обычно отходят от тела клетки в виде толстых стволов, которые затем делятся на несколько более тонких ветвей, те, в свою очередь,-- на еще более тонкие и т. д. Длина дендритов в десятки раз превышает диаметр нервных клеток, а толщина концевых веточек очень мала -- может составлять доли микрометра. Вопрос о том, какую роль играют дендриты в работе нервных клеток, до сих пор окончательно не решен и, скорее всего, у разных нейронов их роль различна. В частности, у одних клеток мембрана дендритов невозбудима и может передавать сигналы только электротонически, как пассивный кабель, а у других -- дендриты способны проводить ПД. Сейчас мы рассмотрим только те свойства дендритов, которые связаны с их геометрией.

Рассмотрим сначала те клетки, у которых дендриты невозбудимы. В этом случае «проблема дендритов» состоит в следующем. Синаптические окончания встречаются на самых разных частях дендритного дерева. Возьмем синапс, действующий на веточку, максимально удаленную от тела клетки. В этом случае условия для передачи электрического сигнала представляются весьма невыгодными. Действительно, в тонкой веточке велика константа затухания, а своим концом веточка «впадает» в более широкий участок дендрита, который «закорачивает» ее. В таких закороченных кабелях потенциал спадает особенно сильно, правда, в случае дендритов «закорачивание» является неполным и потенциал в конце веточки спадает не до нуля. В следующем отрезке дендрита условия для передачи сигнала тоже неблагоприятные, так как на его конце тоже находится более толстый дендритный ствол, и т. д. « В связи с этим возникло представление, что синапсы, расположенные на удаленных веточках, дают очень малый вклад в изменение потенциала тела клетки, в сотни раз меньший, чем такие же синапсы на теле клетки. Получается, что синапсы на конечных дендритных веточках бесполезны, что это «ошибка природы».

Один из вариантов решения «проблемы дендритов» состоит в том, что на тонких концевых веточках можно разместить много синапсов, тогда совместное действие этих синапсов будет заметно в теле клетки. Но для этого надо, чтобы все эти синапсы работали более или менее одновременно.

Все вышеприведенные рассуждения долгое время носили качественный характер. В 1965 г. в Теоретическом отделе Института биофизики АН СССР был разработан способ количественной оценки эффективности синапсов для нервных клеток любой формы и рассчитана эта эффективность для мотонейронов, пирамидных клеток коры и клеток мозжечка. Оказалось, что эффективность дендритных синапсов всего в 3--5 раз ниже, чем у синапсов, расположенных на теле нейрона. Чем это объясняется? Почему эффективность удаленных дендритных синапсов оказалось довольно велика? Чем меньше клетка, чем выше ее входное сопротивление, тем больший сдвиг потенциала создает синапс. У тоненьких дендритных веточек, удаленных от тела клетки, входное сопротивление оказалось большим, поэтому синапсы могут создавать в этих веточках сдвиги потенциала в десятки раз большие, чем в теле нейронов. И хотя при распространении к телу этот сдвиг потенциала действительно сильно затухает, его большая величина в значительной мере компенсирует затухание. Таким образом, дендритные синапсы оказались вовсе не ошибкой природы.

А теперь рассмотрим те нейроны, дендриты которых обладают возбудимой мембраной, способной к генерации ПД, У таких нейронов высокая эффективность синапса на тонкой веточке может привести к тому, что всего несколько синапсов доведут мембранный потенциал до порога и вызовут в этой веточке ПД, который начнет распространяться к телу клетки.

Его дальнейшая судьба зависит от свойств узлов ветвления, через которые ему надо пройти по пути к телу клетки, т. е. от геометрии дендрита. Клетка такого типа работает как сложная логическая схема. Пример такой клетки был приведен на рис, 45; эта клетка обнаруживает однонаправленные движения стимула. Клетки с более сложной формой дендритов могут работать как довольно хитрые вычислительные машины. «Такая система подобна системе голосования с большим числом участников, которые имеют неодинаковое число голосов... Окончательный результат, конечно, зависит от общего числа голосов, поданных «за» или «против», однако он в не меньшей степени зависит и от того, кто именно и вместе с кем из партнеров голосует»,-- писали сотрудники Теоретического отдела Института биофизики АН СССР в 1966 г.

На дендритах многих нейронов имеются особые образования, так называемые шипики. Это структуры, похожие на грибы и состоящие из головки на тонкой ножке, которую чаще называют шейкой шипика. Шипик представляет собой выпячивание клеточной мембраны, а к его головке подходит терминаль от другого нейрона и образует на ней химический синапс.

Зачем нужны шипики -- неизвестно. Число гипотез об их функциях огромно. Давайте посмотрим, что можно сказать о возможных функциях шипиков, исходя из геометрических соображений. При этом рассмотрим два ра-рианта: мембрана головки шипика невозбудима; мембрана головки шипика способна к генерации ПД.

Пусть шипик невозбудим. Его тоненькая шейка имеет высокое сопротивление. В результате в головке будет возникать большой постсинаптический потенциал, но его заметная часть будет теряться в шейке. Шипик будет работать как тоненькая дендритная веточка. Но зачем нужно такое устройство? Почему бы синапсу не располагаться прямо на дендрите?

Одним из способов работы тормозных синапсов является снижение входного сопротивления нейрона. Но ведь и возбуждающие синапсы тоже открывают ионные каналы и снижают входное сопротивление! Из-за этого возбуждающие синапсы тоже мешают друг другу. Особенно сильна такая помеха будет на тонких дендритах, у которых очень высоко входное сопротивление, так что активация нескольких синапсов вызовет заметное его снижение. Шипики должны существенно снижать взаимное влияние соседних синапсов, которые в этом случае отделены друг от друга шейками с высоким сопротивлением. Расчеты подтвердили, что хотя шипиковые синапсы каждый по отдельности менее эффективны, чем синапсы, расположенные прямо на дендрите, но при совместной работе эффект заметно выше.

Если же мембрана шипика возбудима, то он может работать как усилитель синаптической передачи. Из-за тонкости шейки входное сопротивление шипика очень велико и один синапс может вызвать в головке ПД, который пошлет в дендрит гораздо более сильный электрический ток, чем ток синапса. Интересно, что при таком режиме работы шипика должно существовать оптимальное сопротивление его шейки. Оно не должно быть слишком маленьким -- тогда заметная часть синаптического тока будет утекать в дендритную веточку, сдвиг потенциала на мембране головки шипика не достигнет порогового значения и там не возникнет ПД. Но, с другой стороны, сопротивление шейки шипика не должно быть и слишком большим, иначе из головки шипика в дендрит будет течь слишком слабый ток и никакого усиления синаптического тока не получится. Недавно появились работы, показывающие, что геометрическая структура реальных шипиков близка к той, которая по теоретическим расчетам является оптимальной.

До сих пор мы говорили о форме волокон и клеток или даже микроструктур клеток -- шипиков. Посмотрим теперь на геометрию клеточных объединений.

Нервные клетки, пересаженные во взрослый мозг, установили правильные контакты с «местными» и включились в общую работу.

Нервные клетки, как мы сейчас знаем, хотя и восстанавливаются, но всё-таки не так быстро, как хотелось бы. С другой стороны, сейчас в лаборатории можно выращивать самые разные виды клеток, в том числе и нейроны.

Было бы хорошо, если бы в случае болезни, сопровождающейся массовой гибелью нейронов (вроде инсульта или синдромов Паркинсона или Альцгеймера), можно было вместо погибших клеток пересадить новые, свежие и здоровые - подобно тому, как меняют сгоревшую электропроводку или испортившуюся часть микросхемы. Однако нейроны, как известно, соединены друг с другом множеством контактов, и участвуют в самых разных нервных процессах, и потому, если мы захотим пересадить что-то во взрослый мозг, нам в первую очередь нужно ответить на вопрос: смогут ли новые элементы найти в нём своё место, встроиться в нервные цепи?

Два года назад мы писали об экспериментах исследователей из Университета Люксембурга, которые пересадили клетки-предшественники нейронов мышам в кору мозга и в гиппокамп (один из основных центров памяти) – по словам авторов той работы, клетки успешно дозрели на новом месте, наладили контакты с нервными цепочками, и . То есть в принципе мозг принимает пересаженные нейроны; но чтобы понять, есть ли от них польза, участвуют ли они в информационных процессах, требовались новые эксперименты.

И вот сейчас в Nature выходит статья Сюзанны Фолкнер (Susanne Falkner ) и её коллег из Института нейробиологии Общества Макса Планка и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, которые установили, что, если пересадить нейроны в зрительную кору, они не только правильно встраиваются в нервные цепи, но и улучшают зрение.

Зрительная кора по сравнению с другими областями мозга изучена особенно хорошо, про её нейроны мы знаем, когда и почему они включаются и выключаются, и с какими другими зонами мозга соединены. В эксперименте у мышей удаляли фрагмент зрительной коры, а на его место пересаживали кусочек коры мозга, взятый у эмбриона, и затем, с помощью особой микроскопической техники, наблюдали за отдельными клетками.

За месяц, по словам авторов работы, пересаженные «протонейроны» нормально трансформировались в зрелые нейроны, проходя те же стадии, которые обычно проходят созревающие нервные клетки. (В частности, у пересаженных со временем точно так же уменьшалось число дендритных шипиков – участков на мембране нейрона, где может сформироваться синапс, контакт с отростком другого нейрона; считается, что уменьшение числа шипиков помогает лучше организовать потоки информации, помогает нервным клеткам не путаться в огромном количестве поступающих в мозг импульсов.)

Однако нейробиологи хотели большего: их цель была в том, чтобы увидеть, что каждая отдельная клетка после трансплантации не только превращается в нормальный нейрон, но и устанавливает правильные соединения с другими. Иными словами, здесь требовалось проанализировать коннектом пересаженного фрагмента: направление межнейронных соединений, которые пошли в другие области коры, и их силу.

Оказалось, что у прооперированных мышей дела тут обстоят так же, как и у обычных мышей, которым ничего не пересаживали. Иными словами, «пришлые» клетки не только налаживали контакты с тем, с кем нужно, но и сила таких контактов была такой же, какой и должна быть (где-то слабее, где-то сильнее, в зависимости от того, с кем данный участок коры обменивается информацией). Были некоторые расхождения с «оригиналом», некоторые нейроны установили синапсы не с теми, с кем нужно, однако причина здесь, очевидно, заключалась в том, что для пересадки взяли кусочек, не совсем точно соответствующий тому, который вынули из мозга. И в следующий раз избежать неверных соединений вполне возможно, если точнее выполнять всю процедуру.

Наконец, последнее испытание – тест на функциональность – пересаженные клетки тоже с успехом прошли. Мышам периодически показывали некие узоры из полос, и постепенно новые клетки научились отличать одни узоры от других: на какие-то они реагировали сильнее, чем на другие. То есть со временем происходила настойка, обучение нервных клеток, которые, как мы помним, не с самого начала были в мозге.

Итак, благодаря тому, что авторы работы следили за судьбой индивидуальных нейронов, им, в конце концов, удалось достаточно надёжно установить, что пересаживаемые клетки не просто встраиваются в систему уже сформированных нервных цепочек, но и вполне успешно начинают работать. (Что особенно любопытно, так как именно про зрительную кору считается, что она не склонна к перестройкам.)

В дальнейшем исследователи собираются выяснить, как поведут себя нейроны, полученные другим способом (то есть не взятые из мозга эмбриона, а, например, выращенные после перепрограммирования клеток кожи через стадию индуцированных стволовых клеток), и можно ли подобные заплатки использовать для лечения натуральных повреждений мозга – например, при физической травме или при инсульте.