Усиливая нейропластичность клеток мозга
По мере того как концепция синаптической пластичности упрочивала позиции в нейробиологии, все большее признание стала получать еще более радикальная идея. На протяжении значительной части ХХ столетия существовала научная догма, что мозг полностью «программируется» после окончательного развития в подростковом возрасте человека. Это предполагало, что все наши нейроны мы получаем при рождении. Мы в силах трансформировать синаптические связи, но нейроны можем только терять. Разумеется, мы в состоянии ускорить их разрушение, если, например, начнем рано принимать алкоголь, как пугали нас учителя биологии в восьмом классе средней школы. «Помните: алкоголь убивает нервные клетки, и они не восстанавливаются».
Но знаете что? Они восстанавливаются, причем тысячами. Ученые не могли обнаружить окончательное подтверждение этому до 1998 года, пока новая научная аппаратура по сканированию мозга не позволила заглянуть в его глубины. И открытие пришло с неожиданной стороны. Пациентам с раком мозга иногда вводятся контрастные вещества, которые показывают разрастание злокачественных клеток и позволяют следить за развитием болезни. Ученые исследовали безнадежно больных злокачественными опухолями, которые отдали свои тела науке, и обнаружили, что соответствующие маркеры буквально переполняли гиппокамп. Это стало наглядным подтверждением нейрогенеза – процесса деления и развития клеток мозга. Все происходило так же, как и в других органах человеческого тела. Так было сделано одно из величайших открытий в нейробиологии.
С тех пор повсюду – от Стокгольмского до Калифорнийского и Принстонского университетов – нейробиологи и нейрофизиологи стали предпринимать попытки понять, каким образом появляются новые нервные клетки и каковы их функции. Значение этих исследований огромно, поскольку науке и медицине хорошо известно, что главной причиной страшных деструктивных процессов в мозге человека типа болезней Паркинсона и Альцгеймера оказывается именно разрушение клеток головного мозга. Старение человека также связано с гибелью нервных клеток, и вот неожиданно мы узнали, что организм имеет свои способы противодействия этому процессу, затрагивающему некоторые участки головного мозга. Стоит выяснить, как запустить процесс нейрогенеза, и мы сможем заменять целые части нашего мозга.
А что это означает для здорового мозга? Одна из первых важных находок в отношении нейрогенеза была сделана при изучении певчих птиц – американских синичек. Оказалось, что каждую весну они разучивают новые трели, и при этом в их гиппокампе образуется множество нервных клеток. Случайное совпадение? Растущие нервные клетки и указали на их некую связь с процессами обучения у птиц. Однако получить наглядные доказательства тогда было трудно. В 1998 году нейробиолог Фред Гейдж из Института биологических исследований Солка в Ла-Холье (Сан-Диего) вместе с Петером Эрикссоном из Швеции были первыми, кто провел прорывные эксперименты. «Как и синаптическая пластичность, нейрогенез, безусловно, прочно связан с нашим окружением – в отношении и эмоций, и мыслительной деятельности, – поясняет Гейдж. – Изучать, какую же на самом деле функцию он выполняет, – чрезвычайно интересное дело».
Нейроны рождаются из стволовых клеток мозга, а затем активно развиваются, только так и получая возможность выжить. Некоторые погибают. Установлено, что «новорожденному» нужно 28 дней, чтобы встроиться в нейронную сеть мозга. При этом по отношению к ним применима теория Хебба об активности в процессе обучения: если мы не задействуем новые нейроны, то теряем их. Гейдж использовал идею «обогащенной среды», чтобы испытать ее на грызунах. «Сначала мы испробовали много приемов, – объясняет он, – но как только поместили в клетки животных беговые колеса, то, к нашему удивлению, обнаружили, что это оказало колоссальный эффект на количество образующихся нейронов. Парадоксально, но у активно бегающих крыс число гибнущих нейронов было таким же, как и у животных из контрольной группы, лишенных физической активности. Но у первой группы был гораздо обширнее пул стволовых клеток, из которых образуются нейроны. Важно, что для выживания и интеграции нейрона в сеть он должен как можно раньше задействовать свое окончание – аксон, по которому нервные импульсы идут к другим нейронам». Двигательная активность способствует генерации нейронов, а «обогащенная среда» помогает им выживать.
Первое убедительное доказательство связи между нейрогенезом и обучаемостью обнаружила одна из коллег Гейджа, Генриетта ван Прааг. В ходе экспериментов ученые использовали небольшой водоем с непрозрачной водой, помещенный в клетку грызуна. В нем прямо под поверхностью одного из углов поставили небольшую платформу. Мыши не любят воду, и цель эксперимента состояла в определении скорости запоминания животным места расположения платформы, которую оно обнаружило при предварительных заплывах. Путь к платформе был своеобразной дорогой спасения для мыши. Когда исследователи сравнили результаты, показанные «неактивными» мышами, с теми, которые демонстрировали животные, пробегавшие от четырех до пяти километров за ночь, то оказалось, что последние запоминали дорогу к безопасному месту гораздо быстрее соплеменников из первой группы. Плавали грызуны примерно с одинаковой скоростью, но если «активные» мыши направлялись к платформе по прямой, то «неактивные» долго кружили по бассейну в поисках убежища. Когда мозг подопытных животных был вскрыт, ученые обнаружили в гиппокампе «активных» вдвое больше стволовых клеток, чем у остальных. Оценивая результат этих исследований, Гейдж сказал: «Между общим количеством нервных клеток в мозге мыши и ее способностью к решению сложных задач существует прямая зависимость. Если блокировать нейрогенез у грызуна, он теряет способность к запоминанию информации».
Объектами этих исследований были мыши, но эксперимент позволил понять, что происходит со школьниками в Нейпервиллском школьном округе: занятия физкультурой вооружают их новыми мозговыми «инструментами» для обучения, а стимуляция новых нервных клеток во время занятий в классе позволяет им активно включиться в нейронную сеть, в которой они становятся ценными единицами сигнальной системы мозга. Таким образом у новых нейронов появляется цель. Создается впечатление, что они, образуясь во время физических занятий, лучше «зажигают» долговременную потенциацию мозга. Они характеризуются высокой пластичностью. Нейрофизиолог из Принстонского университета Элизабет Гульд считает, что новые нейроны быстрее включаются в мыслительную деятельность, а префронтальная кора активно задействует их также в долговременной памяти. Гульд первая показала, что в мозге приматов возникают нейроны. Это наблюдение положило дорогу к экспериментам, касающимся нейрогенеза у человека.
Она и многие другие нейрофизиологи изучают связь нейрогенеза и процессов обучения. Исследуется также и связь с физической активностью. Однако интересно, что относительно мало ученых интересуются самой двигательной активностью. Скорее, они заставляют мышей бегать потому, что этот бег «приводит к массивному нейрогенезу», как провозглашало солидное исследование под названием «Гиппокамп» (2006). Ученые стремятся дешифровать цепочку сигналов, сопутствующих нейрогенезу. Это нужно фармацевтическим компаниям для производства новых лекарств. Они мечтают о создании препарата «Анти-Альцгеймер», которые регенерировал бы нейроны для сохранения памяти. Нейробиолог из Колумбийского университета Скотт Смол, который использовал новейшие образцы компьютерного томографа для наблюдения за нейрогенезом у людей, говорит: «В гиппокампе должно находиться какое-то нейрохимическое вещество, которое реагирует на двигательную активность и отдает команду на формирование новых нервных клеток – нейронов. Если мы сможем открыть природу этих молекулярных процессов, то сумеем изобрести какие-то мудрые способы биохимического запуска нейрогенеза».
