Когда нейробиолога доктора наук Кристофа Коха спросили, насколько близки ученые к пониманию того, как работает наш мозг, он хмыкнул, а затем сказал: «Мы не понимаем даже, как работает мозг червяка»

Изображение: Alamy/TASS

Доктор Кох заведует отделом изучения мозга в Институте Аллена (Сиэтл, США), и сотрудники его лаборатории уже много лет работают над картированием и описанием семи тысяч связей нейронов круглого червя Caenorhabditis elegans, а их всего-то 302.

Что и говорить о человеческом мозге с его 86 миллиардами нейронов и 100 триллионами синапсов (связей между ними).

Конечно, нейробиологам известно уже немало, но еще больше предстоит узнать.

«Периодическая таблица» клеток

Серое вещество мозга, расположенное в коре больших полушарий и являющееся главным компонентом центральной нервной системы, состоит из клеточных тел нейронов и глиальных (вспомогательных) клеток. И те, и другие достаточно разнообразны, но ученые пока далеки от сколько-нибудь стройной их классификации.

В Институте Аллена исследователи используют ряд параметров для характеристики типа клетки, причем каждый из них изучается целой командой исследователей.

Клетка мозга характеризуется тем, какие гены она «включает» и «выключает», по ее геометрической форме, по тому, какие участки мозга она соединяет, по ее электрическим параметрам.

Довольно непросто собрать всю это информацию и рассортировать клетки по группам на ее основе.

По словам Коха, исследователи стремятся создать что-то вроде периодической таблицы клеток мозга, подобной менделеевской классификации химических элементов. Это грандиозная работа, до завершения которой еще очень далеко.

Тайны коммуникации

Коммуникация нейронов. Изображение: YAY\TASS

Из школьных учебников биологии нам известно, что нейроны коммуницируют друг с другом через синапсы при помощи специальных сигнальных молекул, которые называют нейромедиаторами или нейротрансмиттерами.

Лучше всех изучены два нейромедиатора, выполняющие противоположные функции: глутамат передает возбуждающий сигнал по цепи нейронов, а гамма-амино-масляная кислота тормозит их.

Ученые, однако, до сих пор не понимают, как именно большинство сигнальных молекул передают свои «послания».

Более того, врачи используют в практике антидепрессанты, влияющие на баланс нейротрансмиттеров, при этом не до конца понимая механизмы их действия.

Подойти ближе к разгадке тайны коммуникации нейронов должен проект MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks), осуществляемый тремя крупными американскими научными центрами, Институтом Аллена, Медицинским колледжем Бейлора и Принстонским университетом.

В его рамках ученые составляют карту связей в зрительном отделе коры мышиного мозга, который по размеру не больше песчинки. При этом он содержит в себе миллиард синапсов. После того, как карта будет завершена, а это самый масштабный проект такого рода из до сих пор предпринимавшихся, можно будет приступить к изучению сигнальных молекул в разных типах синапсов.

Откуда берутся болезни

Электроэнцефалографическое изучение мозга. Фото: Alamy/TASS

Большинство нервных и психических расстройств не являются заболеваниями всего мозга. Они начинаются с конкретных типов нейронов или других клеток и развиваются по мере их изменения и влияния на другие структуры.

Для того, чтобы понять, как начинается та или иная болезнь, какие именно классы клеток уязвимы при конкретном расстройстве, нужно хорошо представлять себе эти классы, что возвращает нас к первой задаче.

Когда у исследователей мозга будет своя периодическая таблица, они смогут отследить какие клетки отмирают, какие растут избыточно или меняются иным образом при заболевании мозга. И тогда возможным станет создание прицельных терапий, направленных на конкретные типы клеток.

Первые шаги в этом направлении уже делаются. Например, известно, что при синдроме Драве, редкой и очень тяжелой форме ранней детской эпилепсии, страдает определенный класс нейронов в результате мутации одного единственного гена.

Сейчас ученые Института Аллена совместно с Педиатрическим исследовательским институтом Сиэтла пытаются создать прицельную терапию, влияющую именно на эти нейроны.

Вода, жир и энергия

На выставке «Мозг: разум как материя», Манчестер. Фото: PA Photos/ТАСС

Отмечая всемирный день мозга, было бы неправильно сосредоточиться лишь на том, чего ученые еще не знают об этом органе. Вот несколько занятных фактов, которые хорошо известны нейробиологам, но не всегда – широкой публике.

Наверняка вы знаете, что мозг человека весит от 1 до 2 с лишним килограммов, но отдаете ли вы себе отчет в том, что на 60% он состоит из жира? По сути, это один из самых жирных органов нашего тела – факт, важный с практической точки зрения.

В последние десятилетия жир демонизируется, а холестерин и вовсе превращен в страшилку. Между тем, он совершенно необходим для нормальной работы мозга.

Во-первых, он содержится в синаптических мембранах и играет важную роль в передаче сигнала от нейрона к нейрону.

Во-вторых, он является важной частью миелина, вещества, покрывающего нервные волокна и играющего роль изоляции электропроводки. Димиелинизация волокон приводит к серьезным заболеваниям, например, к рассеянному склерозу.

Отсюда вывод: не пренебрегайте качественными жирами в своей диете.

Мозг дорого обходится организму. Он использует 20% его объема крови и 20% всего потребляемого кислорода. Кстати, длина кровеносных сосудов мозга составляет более 160 тысяч километров.

Главным энергетическом ресурсом, питающим мозг, является глюкоза. Сам же он в состоянии бодрствования генерирует порядка 23 Ватт электроэнергии.

А вот еще один важный факт с практической точки зрения. На 75% наш мозг состоит из воды.

Вы удивитесь: а как же 60% жира? Что-то тут не сходится.

Объяснение простое. Живой мозг – как и весь организм человека – состоит на 75% из воды. Если же его вынуть и слить жидкость, то «сухой остаток» будет на 60% жировым.

А практический вывод заключается в том, что для нормальной работы мозга человеку необходимо выпивать в день от 2 до 3 литров воды. Обезвоживание негативно сказывается на всех его функциях, включая память.

Как уже говорилось выше, в мозге присутствуют более 80 миллиардов нейронов. Цифра впечатляющая. Но еще больше способна поразить скорость, с которой увеличивается количество нейронов на раннем этапе внутриутробного развития эмбриона. Она поистине гигантская – 250 000 новых клеток в минуту!

Мозг ребенка в течение первого года жизни увеличивается в объеме в три раза, а затем продолжает расти равномерно примерно до 18 лет.

И, наконец, давайте развенчаем распространенный миф о том, что человек использует только 10% возможностей своего мозга. На самом деле, мы задействуем его полностью, и даже когда спим, для поддержания функций организма и снов нам нужно гораздо больше 10%.

Золотой век нейробиологии

Доктор Кристоф Кох в Институте изучения мозга Аллена.  Фото: alleninstitute.org

Как говорит доктор Кох, мозг не заботится о том, чтобы дать нам простую и логичную картину того, как он устроен и как функционирует.

«Ему все равно, понимаете вы его или нет», – добавляет он.

Между тем, осознавая, как много до сих пор белых пятен на карте мозга, ученые признают, что наше время – это золотой век нейробиологии.

Во многом благодаря компьютерам, мы обладаем сегодня огромным ресурсом для хранения и интеграции данных, для построения моделей и проверки гипотез.

«Мы имеем такое количество ресурсов и научных центров, подобных нашему, что сегодня мы можем ставить перед собой вопросы, немыслимые еще 20 лет назад», – говорит Кох.

Рано или поздно наш мозг справится с одной из самых сложных задач во Вселенной – познает самое себя, классифицирует все свои клетки, разберется со всеми их связями, найдет причины своих болезней и научится их лечить.

Источники:

Interesting Facts About The Human Brain

5 unsolved mysteries about the brain