Герд Кемперманн

Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг

Посвящается Манон, Мерле и Феликсу

Gerd Kempermann

DIE REVOLUTION IM KOPF: WIE NEUE NERVENZELLEN

UNSER GEHIRN EIN LEBEN LANG JUNG HALTEN

Перевод с немецкого А. Д. Громовой

Научный редактор: П. А. Зыкин, кандидат биологических наук, доцент (Санкт-Петербургский государственный университет, биологический факультет, кафедра цитологии и гистологии, лаборатория функциональной нейроморфологии)

© Kempermann Gerd, 2016

© Громова А. Д., перевод на русский язык, 2017

© Издание на русском языке, оформление.

ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2018

КоЛибри®

* * *

Новые нейроны для старого мозга – это слишком хорошо, чтобы быть правдой. И все же это так. Наш мозг на протяжении всей жизни производит новые нервные клетки, пусть и всего в двух своих отделах. Один из этих отделов, а именно гиппокамп, имеет большое значение для процесса обучения и памяти.

Герд Кемперманн

Убедительная демонстрация того, как новые нейроны могут сохранять наш мозг молодым на протяжении всей жизни.

Kultur-punkt.ch

ГЕРД КЕМПЕРМАНН – нейробиолог, профессор Центра регенеративной терапии Дрезденского технического университета. Спикер Дрезденского отделения Немецкого центра нейродегенеративных заболеваний Объединения им. Гельмгольца. Его научные труды отмечены многочисленными наградами, включая премию им. Хайнца Майера-Лейбница Немецкого научно-исследовательского общества (1999), а книга «Нейрогенез взрослых 2», выпущенная издательством Oxford University Press в 2011 году, была названа «Медицинской книгой года».

Предисловие

Эта книга изменит ваш мозг

Когда мы активно открываем и осваиваем нечто неизведанное, когда беремся за новое, коротко говоря, когда мы учимся, в нашем мозге (мозге взрослого человека) есть одно решающее, стратегическое место, где он привлекает к этому процессу новые нервные клетки, производя их по мере необходимости. Это было и остается революционным знанием: революцией в голове.

То, что мозг меняется, когда его используют, и слабеет, если его ничем не занимать, само по себе известно давно. Но то, что в этом явлении, именуемом «пластичностью», определенную роль играют в том числе новые нервные клетки, лишь в последние годы заставило нас иначе взглянуть на уже имеющиеся данные и привело к свежим идеям о том, как сохранять мозг в хорошей форме до глубокой старости.

Классическое хрестоматийное знание всегда гласило обратное. Согласно былым представлениям, мы рождаемся с конечным количеством нервных клеток и далее в любом возрасте, по сути дела с самого рождения, лишь теряем их. Это правда: мозг демонстрирует ограниченную способность к образованию новых клеток взамен погибших от болезней, травм или в силу пожилого возраста. У других органов способность к регенерации гораздо выше. К сожалению, новые нейроны в старом мозге не действуют как волшебная таблетка, которая могла бы стать лекарством от хронических нейродегенеративных заболеваний, инсультов или подобных им состояний. Образование новых нейронов в мозге взрослых (ученые называют это явление нейрогенезом взрослых) означает нечто иное. Оно говорит о том, что по крайней мере в той области головного мозга, которая в первую очередь отвечает за обучение и память, а именно в гиппокампе развитие не прекращается никогда. Оно длится всю жизнь. Нейрогенез взрослых означает, что в зависимости от деятельности и опыта у каждого из нас формируется свой собственный, уникальный, индивидуальный мозг. И это по-настоящему грандиозное открытие.

На первый взгляд нейрогенез взрослых выглядит просто: мозг, пусть даже речь идет только об отдельных его зонах, производит новые нервные клетки. Эта кажущаяся простота бередит фантазию. Однако при ближайшем рассмотрении процесс предстает совершенно захватывающим и одновременно сложным. Оказывается, функция новых нейронов имеет ключевое значение для понимания работы мозга как в здоровом, так и в больном состоянии.

Тем не менее нейрогенез взрослых не объясняет всего, а новые нервные клетки, к сожалению, не несут в себе решения любого из остро стоящих вопросов медицины. Не стоит позволять себе чрезмерно увлекаться в исследованиях отдельным сюжетом. Но это и не просто одно из множества занятных явлений природы. Идея об «источнике вечной молодости» для стареющего центра управления, что находится у нас в голове, сама по себе привлекательна, это легко понять, однако мне хотелось бы познакомить вас и с другими явлениями, которые кроются за нейрогенезом взрослых, во всей их сложности и многогранности. Это не значит, что книгу будет трудно читать. И все же я рискну и постараюсь показать, насколько загадочна и сложна эта тема, ведь только так вы сможете по-настоящему насладиться знакомством с ней.

1

Новые нервные клетки!

Когда нужно произвести впечатление на особь женского пола, самцы многих видов буквально из кожи вон лезут. Они прямо-таки творят чудеса – вплоть до образования новых нервных клеток.

Во времена Гёте костюм канареечного цвета был писком моды, но сегодня, пожалуй, мало кто станет щеголять в нем, если, конечно, он не канарейка. Самец канарейки распускает перья и поет вовсю, чтобы справиться с бурей и натиском весеннего обострения и завоевать себе пару на ближайший год. А пока он разучивает и распевает песни, и благодаря этому, в его маленьком мозге растут новые нейроны. Осенью, когда он забудет свои трели (ведь канарейки каждый год учат их с нуля), эти клетки тоже исчезнут{1}. Что же, новые нейроны для новых песен?

Могла бы людям тоже пригодиться эта способность, которая есть у канареек, – певцам и не только? Новые нейроны для новых мыслей. Новые нейроны для старого мозга. Новые нейроны взамен гибнущих в старости и от болезней.

Это выглядит так же нереально, как те многочисленные источники вечной молодости, что нам обещают набранные мелким шрифтом объявления в газетах с программой передач. Напоминает это и разнообразные научные утопии, которые никогда не оправдывают ожиданий, но налогоплательщики всякий раз вкладываются в то, чтобы ученые могли некоторое время преследовать какую-нибудь подобную идею. Новые нейроны для старого мозга – это слишком хорошо, чтобы быть правдой.

И все же это так. Наш мозг тоже на протяжении всей жизни производит новые нервные клетки, пусть и в виде исключения, всего в двух своих отделах. Это явление в целом называется «нейрогенез взрослых», и это словосочетание означает не что иное, как образование нейронов во взрослом организме. Одна из двух «нейрогенных зон», а именно гиппокамп, имеет большое значение для процессов обучения и памяти. То, что нейрогенез взрослых протекает именно в гиппокампе, по-видимому, не случайно: в последнее время становится ясно, что мы, люди, никак не могли бы быть тем, что мы есть, если бы не новые нервные клетки. В этой книге речь пойдет о следующей гипотезе: благодаря образованию новых нейронов у каждого из нас формируется буквально собственный, уникальный мозг, где заключены наши личные воспоминания, автобиография, как мы ее помним, то, как мы судим и прогнозируем, наш характер и эмоциональные качества, – коротко говоря, личность[1].

В 1983 году нью-йоркский исследователь мозга Фернандо Ноттебом и его коллега Стивен Голдмен сообщили, что у взрослых канареек можно наблюдать сезонное образование новых нервных клеток, которое по времени соответствует периоду разучивания песен. Это сообщение породило большие ожидания (хотя, вероятно, ввиду отсутствия интернета, тема не вызвала «вирусного» эффекта, и по сравнению с шумихой, которую порой можно наблюдать сегодня, ажиотаж вокруг нее все же оставался весьма ограниченным). Дело в том, что из всех живых существ только людям, певчим птицам и дельфинам приходится учиться звукообразованию (вокализации). В отличие от них собака умеет лаять сразу. У этой истории были все задатки большой новости, и она ею стала. Ноттебом и его коллеги дали ответы на многие из последовавших за этим вопросов: откуда новые нервные клетки берутся и как регулируется их образование и исчезновение. Однако эти ученые сосредоточились на певчих птицах и предоставили другим исследователям разбираться, как же обстоят дела с «нейрогенезом взрослых» (так правильно называется этот процесс) у остальных животных и у человека. Тем временем, уже в 60-х и 70-х годах XX века появилось несколько сообщений о нейрогенезе взрослых у крыс. У крыс! Они ведь не поют, не стремятся завоевать никаких особых симпатий друг у друга. Это более раннее, первое описание нейрогенеза взрослых так и не получило известности за пределами узких научных кругов, и даже здесь воспринималось скорее как некий курьез. Тогда время для подобных открытий еще не пришло.

Илл. 1. Фернандо Ноттебом из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке в 80-е годы XX века открыл образование новых нейронов в мозге канареек

Но вот теперь, когда на птицах были получены столь убедительные результаты, фантазия ученых стала разгораться. Они размышляли так: человек и канарейка похожим образом учат некий «язык», а значит, не исключено, что сходство есть в чем-то еще, и здесь могут крыться неожиданные возможности. Что, если связь между нейрогенезом и обучением в конечном счете гораздо более глубока, чем предполагалось до сих пор? И, если нейрогенез взрослых все же существует, может быть, это наша надежда на простое средство против гибели нервных клеток, которая происходит в старости и в результате заболеваний?

Вскоре стало очевидно, что все не так просто, но мысль была, да и остается хорошей. Природа на примере канареек показывает нам, как даже во взрослом мозге, до самого позднего возраста, из стволовых клеток регулярно образуются нейроны. При этом происходит именно то, чему пытаются научиться исследователи стволовых клеток и работники регенеративной медицины: нейроны формируются в условиях взрослого мозга. Нейрогенез взрослых – это единственное, но очень важное исключение из правила, которое в остальном действует неуклонно: в норме мозг как раз не способен производить новые нервные клетки.

Итак, встает вопрос: почему же существует это единственное исключение? Может быть, это, согласно царившей долгое время гипотезе, не более чем реликт из глубин эволюции, как аппендикс, который никому не вредит, но и ни для чего на самом деле не нужен?[2] Что-то, о чем эволюция попросту забыла? Или же исключение из правила означает как раз обратное и говорит о функции настолько важной, что для нее приходится задействовать чрезвычайно сложный принцип, давно не действующий в других отделах человеческого мозга, который тем не менее именно здесь дает какие-то существенные преимущества? В самом деле, нейрогенез взрослых требует больших затрат, и есть чрезвычайно веские основания, чтобы постоянное формирование новых нервных клеток не поддерживать. Образование нейрона – в высшей степени сложный процесс, и за то, чтобы обеспечивать эту возможность на протяжении всей жизни, приходится платить достаточно высокую цену. Состояние «forever young» («вечная молодость») с точки зрения мозга имеет очень условную ценность и представляется роскошью, которую не так просто себе позволить.

Индивидуальный мозг

Через мозг мы воспринимаем мир, благодаря мозгу мы можем действовать. Согласно прекрасному, крайне упрощенному определению, наш мозг – это хранилище воспоминаний и одновременно нечто, способное делать предсказания. Именно это называется «обучением». Я могу использовать опыт прошлого, чтобы принимать решения о действиях в будущем.

Тут мы вступаем на опасную территорию в плане определений. Можно ли сказать, что мозг думает? Что думают нейроны? Что такое воспоминания? Можно ли разложить их до уровня клеточных процессов? Или же они никак не проявляются, по крайней мере существенным образом? А теперь еще сложнее: что такое действия? Может ли мозг действовать? И если да, как это соотносится с нашим убеждением о том, что действия совершает индивид? С точки зрения нейробиологии, выше мы дали редукционистское, то есть упрощенное определение. Ряд моментов оно отражает, другие не учитывает. Смысл в том, что некоторые аспекты действительно носят нейробиологический характер и могут быть описаны в нейробиологических терминах, и, таким образом, поддаются естественно-научному анализу. В то же время здесь может возникнуть недопонимание, поскольку мышление – это, конечно, не чисто нейробиологическое явление. Однако оно нейробиологическое в том числе.

Красивое выражение «mind is what the brain does» («мышление – это то, что делает мозг») истинно и ложно одновременно, но нет смысла углубляться в споры об этом противоречии. И все же можно точно сказать, что ни один философ не был бы самим собой без своего мозга. Любой, кто хоть раз выпил слишком много вина или получил крепкий удар по голове, знает, насколько сильно мы зависим от самочувствия этого органа. Мозг – это не чисто биологическое явление, но биологическое в том числе. Описать и суметь объяснить эту его составляющую – уже достаточно сложная задача. Биологизация наших представлений о человеке заслуживает всяческой критики, как и тенденция рассматривать философию, психологию и педагогику как науки о церебральных функциях. Приставку «нейро-» нередко используют, чтобы придать веса слабым, умозрительным построениям. Но часто дело обстоит как раз наоборот. Порой мы не учитываем, что у человека с его чудесным, мощным мозгом много общего с гораздо более примитивными животными, а надменный антропоцентризм весьма безоснователен. Априори приписывать мыслительным способностям человека особый статус, который выделял бы нас из мира природы, не только высокомерно и неправильно. В результате этого мы также упускаем массу возможностей, начиная с того, чтобы более глубоко разобраться в своей сущности, и кончая конкретными медицинскими разработками.

Даже у представителей разных видов животных в мозге может быть много общего, и все же этот орган у них отличается. И внутри одного вида он иногда выглядит по-разному. У каждого человека свой собственный мозг. Это звучит банально, но очень много значит. Содержимое наших черепов не изготовлено по единому шаблону. Как именно оно выглядит, зависит от того, какие качества мы унаследовали от родителей и какой опыт нам был доступен. Это и есть то самое знаменитое взаимодействие генотипа и среды, и мы – его результат. Генотип и среда действуют неразрывно, но по-прежнему остается загадкой, в каком соотношении. Мы, люди, отличаемся друг от друга, и поэтому отличается мозг каждого из нас. И наоборот: у каждого из нас свой мозг, поэтому мы такие разные. К концу жизни мозг несет в себе все воспоминания и весь опыт, который мы приобрели, но это не значит, что он содержит их, как кувшин содержит воду, – мозг сам состоит из всех воспоминаний и опыта, потому что они изменили его, встроившись в его структуру. Мозг каждого из нас, и чем мы старше, тем в большей степени, по структуре и по микроструктуре соответствует нашей биографии и всему тому, что мы когда-либо постигли. Научные фантасты пестуют идеи о том, чтобы читать эти структуры, будто информацию с жесткого диска, но в нашей книге речь пойдет о другом. Нас интересует вопрос об индивидуальном мозге и идея о том, что он может развиваться на протяжении всей жизни и что этот процесс неразрывно связан с опытом. Все, что мы пережили и узнали, нас меняет, причем на физическом, нейробиологическом уровне. Жизнь оставляет следы. Всегда. Все, чему я учусь, изменяет мой мозг. Эта мысль успокаивает и тревожит одновременно. С одной стороны, отсюда следует наша уникальность и индивидуальность, но с другой – встают вопросы, например о том, насколько мы способны формировать и сохранять свой уникальный мозг и какую ответственность мы за это несем. Сам по себе этот вопрос не нов, просто раньше его не задавали в контексте нейробиологии, но здесь мы смотрим на него под другим углом, и он получает новый приоритет. В процессе обучения, например, когда канарейка осваивает навык пения, образуются новые нервные клетки, которые, таким образом, вносят в структуру мозга постоянные и измеримые изменения, соответствующие опыту. Это знание заставляет нас по-новому взглянуть на связь между мозгом и мышлением и наглядно демонстрирует, что именно она лежит в основе развития личности.

Регенерация в человеческом теле

В отличие от мозга другие органы обладают большой способностью к регенерации. Есть три «первично регенерирующие» системы: это кровь, кожа и кишечник. Они непрерывно обновляются на протяжении всей жизни. Благодаря регенеративной функции костного мозга мы можем безболезненно сдавать донорскую кровь и даже переносить весьма значительные кровопотери. Слизистая оболочка кишечника обновляется с такой интенсивностью, что специалисты шутя, вернее полушутя, говорят, что через один кишечник не проходит два горячих блюда. Как ни удивительно, вместе с человеческим стулом, за исключением воды (которая составляет в нем 75 %), выделяются в основном вовсе не остатки пищи, как думает большинство, а огромное количество бактерий, а также, в первую очередь, клетки нашего собственного кишечника. Из 25 % массы, которая получится, если убрать воду, на остатки пищи, бактерии и клетки кишечника придется примерно по одной трети. Чтобы пищеварение и экскреция не израсходовали все клетки этого типа полностью, стволовые клетки регулярно пополняют их запас.

Благодаря регенеративной способности кожи бесследно заживают мелкие порезы и царапины, и лишь более серьезные повреждения ведут к образованию шрамов или вообще не поддаются регенерации, как, например, в случае обширных ожогов. Это касается и «производных кожи», то есть волос и ногтей, которые нам всю жизнь приходится подстригать, потому что они постоянно отрастают заново. Едва ли найдется профессия, представители которой так же сильно зависят от деятельности стволовых клеток (в данном случае содержащихся в волосяном мешочке), как парикмахеры.

Функция таких «первично регенерирующих» органов прочно связана с непрерывной регенерацией клеток. Если кровь перестанет постоянно обновляться, она не сможет выполнять свою задачу. Мы уже не нуждаемся в постоянном росте волос, но от него зависела жизнь наших первобытных предков, гораздо менее защищенных от воздействия погодных условий, чем животные, покрытые мехом.

Вторая группа органов обладает большими способностями к регенерации, хотя та и используется только в случае повреждений. В эту группу входят, например, кости и печень. Последняя вообще представляет собой совершенно особенный случай: если удалить до одной трети ее тканей, она восстановится в полном объеме. Известный символ регенеративной медицины – Прометей, которого в наказание приковали к скале, и орлы каждый день выклевывали печень из его туловища, только затем, чтобы за ночь она отросла вновь. Впрочем, этот мифологический сюжет можно воспринимать и как метафору тщетности врачебных усилий. По костям особенно хорошо видно, как с возрастом ослабевает способность к регенерации.

Илл. 2. Миф о Прометее можно также считать метафорой регенеративной медицины: каждую ночь у прикованного к скале падшего героя заново отрастает печень, которую днем ему выклевывают орлы. Нельзя точно сказать, что это: символ особой способности к регенерации или той тщетности, с которой мы неизбежно сталкиваемся в конце концов

Как правило, перелом кости у ребенка не представляет собой повода для беспокойства, тогда как у пожилого человека, особенно если речь идет о шейке бедра, он может без труда привести к опасной для жизни ситуации и многочисленным осложнениям. Органам этой второй группы необходимо уметь регенерировать, но это не входит в их основную функцию, регенерация возникает лишь как реакция на повреждение.

Третья группа включает в себя те органы, которые почти или совсем не регенерируют и к которым до сих пор относили сердце, почки и, в первую очередь, мозг. Предполагалось, что слабая способность мозга к регенерации – это цена за ту функциональную мощь, которой он достиг в ходе эволюции. Считалось, что для столь высокой производительности требуется большая стабильность, которую новые нервные клетки нарушали бы, поскольку новые нервные узлы лишь запутывали бы нейронную сеть. Попробовали бы вы поменять процессор у включенного компьютера! Однако позже мы увидим, что такое представление о мозге как о компьютере в корне неверно.

Зоны нейрогенеза

Согласно расхожему определению, нейрогенез взрослых – это образование новых нейронов в мозге взрослой особи. Мозгу взрослого, по крайней мере у млекопитающих, включая человека, нейрогенез обычно не свойственен, иными словами, его условия не позволяют формировать нервные клетки. Он не регенерирует, по этой причине многие из заболеваний мозга необратимы и носят хронический характер. До рождения и некоторое время сразу после него мы видим совершенно иную картину: мозг – само развитие, здесь все находится в движении. Производится колоссальное количество нейронов. Через некоторое время после оплодотворения эмбрион становится размером с фасолину, размеры мозга у него соответствующие. К моменту рождения этот орган у человека весит уже около 350 граммов, и это всего лишь около четверти массы мозга взрослого. Формирование его продолжается и после появления на свет. И хотя при этом образуются миллиарды клеток, нейроны формируются с большим запасом. В течение детства образование нервных клеток идет на убыль. Согласно оценкам, к школьному возрасту оно в массе своей завершается, и лишь в отдельных областях, например в мозжечке, заканчивается только в 10–12 лет. У млекопитающих нейрогенез сохраняется лишь в двух или, возможно, трех областях мозга (см. рис. 1 на вклейке). Некоторые детали здесь остаются спорными, вероятно, есть важные различия между отдельными видами животных. Но в целом уже твердо установлено: во взрослом мозге формируются новые нервные клетки.

У человека нейрогенез ярко выражен в гиппокампе, в той самой небольшой зоне мозга, которая имеет решающее значение для обучения и памяти. Гиппокамп также называют «вратами памяти», поскольку вся информация, которую мы хотим сохранить в долгосрочной памяти[3], должна пройти обработку в этой области. Мы еще поговорим о значении последней в главе «Новые нейроны для новых мыслей», когда будем рассматривать, какое участие принимают в ее деятельности новые нейроны и какие это влечет последствия. Конечно, если нейрогенез взрослых протекает именно в «центре обучения», естественно предположить, что новые нервные клетки играют в этом процессе какую-то особую роль. С другой стороны, не всякий, кого застали на месте преступления, обязательно преступник. Как мы увидим, доказать, что новые нейроны участвуют в деятельности гиппокампа и как именно они это делают, было совсем не просто.

Вторая (точнее, если учесть ее удивительное постоянство в мире животных, первая) зона нейрогенеза, которую можно найти у большинства млекопитающих, находится в обонятельном мозге[4]. Обоняние – это способность обнаруживать в окружающей среде химические соединения. Это своего рода «прачувство», в зачаточном виде присутствующее уже у очень примитивных животных. У млекопитающих нейрогенез встречается главным образом в этих двух зонах, но, за исключением самых основных черт, между этими процессами в той и другой зоне мало общего. Вероятно, у всех известных нам позвоночных есть некое подобие гиппокампа, но лишь у млекопитающих та его часть, в которой мы наблюдаем нейрогенез взрослых, присутствует в такой форме и обладает такими функциями{2}. Это захватывающий поворот дела, ведь данный факт заставляет предположить (хотя, конечно, еще не доказывает), что с возникновением особой структуры «зубчатой извилины», как именуется та область гиппокампа, где у млекопитающих происходит нейрогенез, у них развилась также исключительная способность приспосабливаться и принимать различные формы, и эти два явления тесно связаны между собой.

Мифы о мозге

До того как обнаружили нейрогенез взрослых, существовали определенные представления о развитии и деятельности мозга, которым данное открытие противоречило. Такие представления часто принимают характер мифов. Бывает, что мифами долгое время успешно объясняют некоторые явления, но затем подобные убеждения, которые ранее не подвергались сомнению, приходится соотносить с новыми достижениями науки.

Есть мифы расхожие, знакомые каждому, например, о том, что в шпинате много железа или что после еды вредно плавать. В медицине особенно распространена «народная мудрость», в том числе представления о мозге, под которыми нет никаких оснований.

Пожалуй, самое распространенное убеждение такого рода состоит в том, что человек использует мозг лишь на 10 %. В 2004 году вышел научно-фантастический триллер со Скарлетт Йоханссон в главной роли, сюжет которого построен на этой идее: героиня принимает вещество, призванное разбудить потенциал дремлющих 90 % ее мозга.

Илл. 3. Завязкой триллера «Люси» со Скарлетт Йоханссон в главной роли послужил распространенный, но безосновательный миф о том, что мы используем лишь 10 % мозга. Что же будет, если разбудить спящие 90 %?

Как будто без всякого противоречия рядом с этим мифом о 10 % сосуществует представление о том, что после двадцати пяти лет (некоторые даже утверждают, что после полового созревания, а отдельные пессимисты – что сразу по окончании детского возраста) наша мыслительная деятельность начинает угасать, потому что, рано достигнув расцвета, при котором количество нервных клеток у нас максимально, затем мы лишь теряем их на протяжении всей оставшейся жизни. Уже в начальной школе нас пугали, что, если часто забивать голы головой, мозги отобьешь. Это скрытое следствие данного мифа. Позже мы мучились совестью за каждую лишнюю кружку пива, ведь оно якобы усугубляет эту постоянную деградацию. Наконец, хотя об этом, в отличие от детских игр в футбол, чаще всего не говорят вслух, предполагается, что есть некая критическая черта, за которой человек неизбежно впадает в маразм. Коротко говоря, мозг нужно беречь, иначе он износится раньше времени. Согласно этим представлениям, пожилой возраст, а тем более деменция – это состояния нехватки нервных клеток. Все это, очевидно, плохо сочетается с идеей о том, что мозг, как ни крути, используется всего на 10 %. Если у нас в запасе 90 % мозга, можно было бы позволить себе потерять часть клеток без всяких последствий. Где же тогда истина? Ни там, ни там, но оба мифа несут в себе отголоски правды.

Откуда взялся миф про 10 % – а он очень устойчив, – неизвестно. Его часто приписывают отцу сайентологии Рону Хаббарду, но возможно, и это тоже миф. Правда то, что практически никто не использует весь своей потенциал целиком (это то зерно истины, которое кроется здесь).

Тем не менее нет угрозы, что мозг переполнится. Подобные опасения обыгрывает в своей знаменитой карикатуре Гари Ларсон. Если говорить о емкости, наше запоминающее устройство никогда не бывает заполнено целиком. Но при этом и нельзя сказать, что есть какие-то пустые участки, которые бы простаивали. Мозг всегда активен весь полностью. У него большие резервы, в этом плане миф даже говорит правду, но ни в коем случае не в чисто структурном смысле, а в функциональном и, как мы увидим позже, в смысле «пластичности». А число «10 %» и вовсе взято с потолка.

Представление о своем потенциале, по иронии судьбы, люди получили благодаря редкой прихоти природы. Это так называемые саванты – те, у кого на фоне ограниченных умственных способностей есть удивительные «острова гениальности» – отдельные навыки, в которых они способны достичь незаурядных успехов. При этом очередной миф состоит в том, что к савантам относятся многие или даже все люди с аутизмом.

Одним из самых известных савантов был прототип «человека дождя» из одноименного фильма с Дастином Хоффманом, Ким Пик{3}. Он мог, один раз проглядев текст (это даже нельзя назвать чтением), «пересказывать» наизусть целые книги. К концу жизни его память хранила содержание приблизительно двенадцати тысяч книг, которые он смог запомнить слово в слово. Это показывает, какие объемы информации способен вместить человеческий мозг. Некоторые предпринимают попытки добраться до этих сокровищ, или, по крайней мере, их подобие. «In search of the rain man within us all» («поиски человека дождя в каждом из нас») – так это называет Дарольд Трефферт, специалист по савантам. Проблема, однако, в том, что Ким Пик мог использовать свои огромные знания только в совершенно статичном виде. Он не обладал способностью отбирать информацию; его память была похожа на склад. Ассоциативное мышление у него развилось лишь на очень поверхностном уровне. Связь между двумя полушариями его мозга оставалась рудиментарной. По-настоящему обрабатывать свои колоссальные знания савантам чаще всего не удается. Они замечательно производят вычисления, но не становятся от этого математиками.

По-видимому, реализовать весь потенциал какой-либо функции, которая обычно используется частично, можно только очень высокой ценой. То же самое происходит с рекордсменами в других сферах, например в большом спорте. Здесь тоже, как сказали бы экономисты, возникают «издержки упущенных возможностей». В такой ситуации все ресурсы, будь то время, энергия или инфраструктура, направляются исключительно в одно русло. Олимпийские чемпионы по синхронным прыжкам не бывают одновременно блестящими пианистами. Зато благодаря савантам мы знаем, что у нас не хватает ресурсов на обработку информации, а не на ее хранение.

О «резервах» мы подробно поговорим позже. Сейчас важно отметить, что в мозге не существует каких-то земель, которые можно было бы осваивать. Нет нервных клеток, которые валялись бы без дела и только ждали своего часа.

Откуда взялся противоречащий «правилу 10 %» миф о том, что мы всю жизнь теряем нервные клетки мозга, тоже вполне очевидно. У нас действительно никогда не будет столько нервных клеток, сколько было в детстве. Ведь они формируются в избытке, и подобно тому, как скульптор высекает из куска мрамора Венеру, рожденную из морской пены, так и структура мозга освобождается от всего лишнего в зависимости от опыта (или его отсутствия). Все, что не используется, исчезает. Это также оправданно с энергетической точки зрения, поскольку нервные клетки расходуют чрезвычайно много энергии. А ее всем животным всегда не хватает. Мозг – вещь полезная, но затратная, поскольку очень энергоемкая.

Оказалось, что иметь максимально компактный мозг выгодно. Но его «оптимизация» не продолжается бесконечно по окончании детского и юношеского возраста. После полового созревания состояние стабилизируется. С годами нервные клетки действительно гибнут, но в очень разных количествах, и нет простой связи между числом нервных клеток и их деятельностью или производительностью. Во многих зонах мозга число нейронов колеблется от человека к человеку сильнее, чем у одного человека в течение среднего срока жизни. Однако действует все тот же принцип: то, что не используется, не хранится. Как несложно догадаться, это все же совершенно иная ситуация, чем когда гибнут клетки, исполняющие важную функцию. По-видимому, нервных клеток в мозге ровно столько, сколько требуется для ее исполнения. То, что не находит постоянного применения, ликвидируют. То, что было (как и то, чего не было), формирует будущее. Утраченные возможности вернуть невозможно.

При деменции, напротив, гибель нервных клеток приобретает по-настоящему широкий размах. Но это патологическое состояние, а не просто усугубление или ускорение физиологического процесса. И даже в этом случае оценить масштабы происходящего непросто, ситуация очень запутанная и может быть разной. Датский нейроанатом Марк Вест с помощью очень сложного и точного метода определял количество нейронов в мозге. На рис. 2 (см. вклейку) показаны количества клеток в гиппокампе – этот отдел очень важен для обучения и памяти, поэтому деменция поражает его уже на ранних стадиях и с большой силой. Как видно, изменения количества клеток с возрастом незначительны по сравнению с различиями между отдельными людьми. Выделяются на общем фоне только те, кто страдает болезнью Альцгеймера. В остальном по количеству нейронов в отсутствие деменции невозможно узнать возраст человека, чей мозг мы исследуем{4}.

Нейродегенеративные заболевания в некоторой степени действительно обусловлены гибелью нервных клеток. Данные, представленные Марком Вестом, в том числе говорят об этом. То же относится и к болезни Паркинсона. При этом заболевании в первую очередь начинают гибнуть нейроны в особом, небольшом и четко ограниченном отделе мозга, который называется Substantia nigra, или «черная субстанция», и гибель этих клеток несет за собой сложные последствия для мозговых функций. Угасают управляющие сигналы, необходимые для моторной и умственной деятельности. Однако нужно учитывать, что при болезни Паркинсона должно погибнуть около 80 % нервных клеток, прежде чем появятся первые симптомы заболевания. Очевидно, здесь также присутствуют мощные компенсаторные возможности или даже «резервы». Но это, кстати, не значит, что из нервных клеток черной субстанции мы используем всего 20 %!

Идея о том, что в условиях мозга взрослых тоже образуются новые нейроны, во многом так привлекательна, поскольку она противостоит пессимистичному и широко распространенному взгляду на мозг как на песочные часы. Пусть наши нервные клетки и правда постоянно гибнут. Но вдруг можно надеяться, что нейрогенез взрослых восполняет эти потери? К сожалению, у этой очень приятной мысли тоже есть все шансы превратиться в миф. Нейрогенез взрослых ограничен отдельными зонами мозга, а количество новых нервных клеток очень, очень мало. Да и на самом деле нет никаких признаков того, что у человека (в отличие от некоторых животных) это явление призвано обеспечить регенерацию изнутри. Нейрогенез взрослых не дает мозгу возможности регенерировать. Клетки кишечника замещаются в колоссальных количествах, но с нервными клетками все обстоит совершенно иначе. Оттого что открыли нейрогенез взрослых, множество неврологических и психиатрических заболеваний не перестают быть хроническими.

Но зачем же тогда нужны эти новые клетки? Может быть, раз их так мало, они вообще не играют существенной роли в функциональном, а значит, и медицинском плане? Или они все-таки дают основания для оптимизма, пусть и не в той области, на размышления о которой нас наводит миф? Ажиотаж вокруг открытия нейрогенеза взрослых частично связан с идей каким-то образом преобразовать потенциал новых нейронов и направить его на то, чтобы все же усилить способность мозга к регенерации. В свете современных знаний очевидно, что это невозможно, но и не совсем утопично, как может показаться (и мы об этом еще поговорим подробнее). Вот только с нейрогенезом, каким мы наблюдаем его в обычном мозге, эта утопия из мира биотехнологий связана очень слабо.

Однако вся эта история, как выясняется, достаточно фантастическая и без вторичных выгод такого рода. Все больше данных указывает на важнейшую роль нейрогенеза взрослых в нормальной деятельности нашего мозга. Это вовсе не средство регенерации, а скорее, и об этом говорят в том числе и птицы Ноттебома, часть фундаментального механизма, который лежит в основе наших способностей к обучению и запоминанию.

Джозеф Альтман открывает нейрогенез взрослых

Нейрогенез взрослых открыл не Фернандо Ноттебом, как можно было бы подумать из-за канареек, а Джозеф Альтман, психолог-исследователь из Массачусетского технологического института (MIT) в Бостоне. В 1965 году он совместно со своим студентом Гопалом Дасом опубликовал сенсационную статью, в которой ученые сообщали, что в мозге взрослых крыс образуются новые нервные клетки (см. рис. 3 на вклейке){5}. Это положило начало нашим знаниям о нейрогенезе взрослых в мозге млекопитающих. Данной статье предшествовало еще несколько работ Альтмана, в том числе работа 1962 года, опубликованная, ни много ни мало, в знаменитом научном журнале Science, где в конечном счете был просто задан прямой вопрос: существует ли нейрогенез взрослых? Тогда исследователь не смог ответить ничего более определенного, чем «возможно», хотя и это уже было немало{6}. Вопрос прозвучал с олимпа науки, а ответ был дан в издании, хотя и пользующемся признанием, но все же очень скромном – Journal of Comparative Neurology. В 1963 году Альтман опубликовал еще одну статью, в которой он уже продемонстрировал новую нервную клетку, но особого внимания на это никто не обратил{7}. Такая публикация «в рассрочку» была по-своему любопытным явлением, а в сегодняшней науке, проникнутой духом оптимизации, и вовсе едва представима.

Илл. 4. Джозеф Альтман родился в Венгрии, через Германию и Австралию уехал в США. Он открыл нейрогенез взрослых за двадцать лет до Фернандо Ноттебома

Изначально Альтман не интересовался образованием новых нейронов. Он искал метод, который позволил бы сделать видимыми проявления мозговой деятельности. Это примерно то же, что сегодня пытаются делать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) – «наблюдать работу мысли», как выразился Михаэль Хагнер{8}.

Для этого Альтман использовал аминокислоту лейцин, меченную радиоактивным изотопом. Нейрон в процессе активного метаболизма[5] встраивает это вещество в различные белки. Таким образом, возбужденная нервная клетка, если перед этим она получила меченый лейцин, впоследствии будет излучать измеримый радиоактивный сигнал. Если нанести на препарат с такими клетками слой фотоэмульсии, она почернеет под воздействием излучения. Этот прием называется авторадиографией. Альтман с помощью шприца вводил крысам меченый лейцин и оставлял их побегать. Позже, исследуя ткань их мозга, он обнаружил потемневшую фотоэмульсию в той части новой коры, которая отвечает за произвольные движения. Он нашел видимое проявление деятельности головного мозга! К сожалению, опыты выглядели не слишком достоверно и давали неустойчивые результаты, поэтому Альтман стал искать что-то еще, чтобы измерить это в мозге с помощью авторадиографии и получить менее расплывчатый и, как он надеялся, более устойчивый сигнал, который позволил бы ему откалибровать свой метод. Он натолкнулся на статьи, за несколько лет до этого опубликованные канадскими исследователями, где речь шла о делении клеток мозга. Здесь тоже использовалась авторадиография, и в последующих опытах Альтман хотел просто посмотреть, дает ли деление клеток в мозге стабильный сигнал.

Метод, который Альтман использовал, когда обнаружил нейрогенез взрослых (и который мы подробно опишем в следующей главе), широко применялся уже несколько лет, к тому времени с ним были проведены весьма результативные исследования, а кроме того, он позволял ответить на вопрос, где именно в процессе развития мозга происходит клеточное деление. Скорее всего, Альтман был первым, кто использовал этот метод на взрослом мозге. Собственно говоря, для этого не было никаких оснований, разве что можно было использовать его как отрицательный контроль[6] для каких-то совершенно иных процессов. Проведенные на тот момент исследования давно уже показали, что деление клеток по окончании развития организма, «несомненно», прекращается. По крайней мере, почти, но на нюансы никто не обращал внимания.

Но это было еще не все. Альтман намного опередил свое время. Его работа 1965 года и по сегодняшним меркам выглядит исчерпывающей и многогранной. Он уже тогда подумал обо всех назревавших вопросах и задал стандарт, на который впоследствии пришлось ориентироваться всем. Однако история не пошла по простому пути. Когда ученый совершает открытие, к которому научное сообщество еще не готово, сам исследователь нередко остается у разбитого корыта.

В 1969 году Альтман нашел нейрогенез взрослых еще в одной зоне, в обонятельной луковице{9}. Он опубликовал массу работ по нейрогенезу у различных животных и описал это явление со всей точностью, какая тогда была возможна. И все же с двумя проблемами, с двумя открытыми вопросами ему справиться не удалось. Первый вопрос: как однозначно определить, что перед нами действительно новые, только что появившиеся нервные клетки, а не просто клетки, которые выглядят как нейроны, но не функционируют соответствующим образом? И второй: откуда они вообще берутся? На эти вопросы он не мог ответить в силу того, что для этого требовались методы, разработанные лишь десятки лет спустя, и поэтому допустил ряд промахов, которые многие позже несправедливо ставили ему в упрек. Например, он описал нейрогенез взрослых еще и в зрительной коре головного мозга, как мы сегодня знаем, ошибочно. Но это не умаляет его роли как основоположника в данной исследовательской области. Эйнштейн тоже ошибался (например, когда отвергал квантовую теорию), а научный прогресс невозможен без заблуждений. Только ошибки и заблуждения двигают нас вперед. Легко быть умным задним числом. Должно быть, в то время точно определить разницу было чрезвычайно трудно. Ведь новые клетки коры головного мозга – это не новые нейроны, но они действительно очень и очень похожи.

Что делать с явлением нейрогенеза взрослых, было не вполне понятно, и в нем видели скорее любопытный факт, чем важный нейробиологический процесс. Кроме того, очевидно, на тот момент еще не удалось разрешить ряд методологических противоречий. В результате звезда Альтмана в его научной области закатилась, и он нажил очень серьезные проблемы, настолько, что едва мог продолжать свою карьеру. Он ощущал это как несправедливость, и отчасти был прав. И все же первое время его работа выглядела скорее как курьез, чем как по-настоящему большое событие.

Очарованные пластичностью

Тема нейрогенеза взрослых очень притягательна, что ощутил на себе и Альтман. Это можно объяснить нарушением табу и отходом от догм и предрассудков, но лишь отчасти. Ведь роль аутсайдера быстро теряет свою прелесть. В 90-е годы ХХ века, когда нейрогенез взрослых открыли заново, он стремительно вошел в моду. Авторитетная научная редакция New York Times включила нейрогенез взрослых у человека в первую десятку открытий «Десятилетия мозга» – так называлась программа, проведенная правительством США в конце прошлого столетия. Не исключено, что известная газета при этом не только устанавливала мерила и критерии качества в науке, но и рассчитывала вызвать широкий отклик.

Мы начали с канареек Фернандо Ноттебома, потому что очарованию этой темы широкая публика впервые подверглась благодаря им. То, что нейроны – это мельчайшие функциональные единицы мозга, а мозг – это вместилище нашего мышления и нашего «я», сегодня известно всем. Но мы не всегда связываем между собой эти две мысли. Ведь если в них углубиться, можно прийти к гораздо более тяжелым размышлениям. Что, собственно, должно произойти на уровне нервных клеток, чтобы получилось некое «я» и «я думаю»? И как в целом взаимосвязаны структура мозга и его деятельность?

Эту фундаментальную взаимосвязь описывают с помощью не совсем простого для понимания термина «пластичность». Пластичность – это «взаимозависимость структуры и функции». Проще говоря, это то, как структура мозга влияет на его деятельность и как эта деятельность, в свою очередь, воздействует на его структуру. Мы увидим, каким образом пластичность связана с развитием и как она помогает мозгу функционировать. Однако на данном этапе самое главное, что пластичность очень важна для его деятельности. Мозг без пластичности мертв.

Мозг готов изменяться всегда. Его структура не статична, но долгое время считалось, что динамизм свойственен лишь сети нейронных связей. Согласно этим представлениям, количество нервных клеток, узлов в сети, в крайнем случае (причем печальном, например в случае болезни) могло уменьшиться, но никак не могло увеличиться. Нейрогенез взрослых же свидетельствует о том, что в некоторых исключительных областях бывает иначе. В этих привилегированных зонах мозг растет буквально от задачи к задаче.

Это было отчетливо видно на канарейках, и сегодня у нас есть масса данных, указывающих, что таким же образом дело обстоит в гиппокампе млекопитающих. Это позволяет предположить, что здесь имеет место какой-то, возможно, фундаментальный механизм. В отношении различных отделов мозга нейрогенез взрослых все же считается исключением. В гиппокампе действует принцип пластичности, который млекопитающие не используют в других областях мозга. Но гиппокамп вообще представляет собой совершенно особенную зону благодаря своей решающей роли в механизмах обучения и памяти. Это звучит так, будто мы отлично понимаем, что означают с нейробиологической точки зрения «обучение» и «память», как протекают эти процессы. И все же, хотя мозг и его работа по-прежнему хранят в себе множество тайн, уже нельзя сказать, что нам совсем ничего не известно. Генри Молисон (Henry Molaison; известный как Пациент H.M.), страдавший фармакорезистентной эпилепсией, был, пожалуй, самым хорошо изученным пациентом за всю историю медицины. В 1953 году, когда ему было 27 лет, врачи, буквально не зная, что еще предпринять, с обеих сторон удалили ему гиппокамп – структуру, в которой находился очаг его заболевания. Благодаря этому случаю нам известно, что без гиппокампа человек живет всецело «здесь и сейчас» и полностью теряет способность хранить что-либо в долгосрочной памяти. H.M. вполне освоил заново некоторые моторные навыки, а также, по-видимому, определенные семантические связи, но все это произошло неосознанно. Путь от фактов и взаимосвязей к сознательной памяти ему, потерявшему оба гиппокампа, отныне был закрыт.

Кристофер Нолан увековечил подобную весьма устрашающую ситуацию в психологическом триллере «Помни». В интернете можно найти обстоятельные дискуссии о научной достоверности сценария, но по придирчивости этих обсуждений как раз видно, насколько точно Нолан придерживается истины. Во всяком случае, картина впечатляет и позволяет получить представление о такой ситуации. Позже мы еще раз подробнее поговорим о пациенте H.M. и об этом фильме.

Бывают похожие случаи, когда пациент становится необучаемым в результате редкого воспалительного заболевания под названием «лимбический энцефалит». Оно затрагивает преимущественно те области мозга, где расположен гиппокамп, и при этом больной больше не может научиться ничему новому. Правда, при энцефалите это состояние носит временный характер, и впоследствии способность к обучению восстанавливается.

Кстати, с точки зрения пострадавшего, такого как H.M., дело обстоит совершенно иначе. Он не может запомнить, какая судьба его постигла, и, таким образом, неспособен по-настоящему осознать ситуацию и не страдает из-за нее в том смысле, в котором это могли бы представить себе внешние наблюдатели. Фильм «Помни» построен вокруг этого отличия, а поскольку его действие разворачивается в обратном порядке, зритель получает как минимум некоторое представление о том, как должен себя чувствовать человек, который ведет такую «бессознательную» жизнь. Однако именно этот феномен явно свидетельствует о том, какое значение гиппокамп имеет в нашей жизни. Если человек ничего не помнит, он в том числе не помнит своей биографии. Его собственная жизнь сужается до одного мига (и до воспоминаний о том, что он успел узнать до потери гиппокампа).

Гиппокамп занимает центральное место в таких важных умственных процессах, как обучение и память, и его роль настолько существенна, что мы резко ощущаем угнетение данных функций, даже если он «выключается из сети» лишь частично. Это происходит, например, при депрессии, а также в случае многих форм деменции (причем, например на поздних стадиях болезни Альцгеймера, дело может дойти фактически до полной потери соответствующих способностей). Под деменцией понимают снижение умственной деятельности, ранее протекавшей нормально (таким образом, это действительно упадок, а не отсутствие развития). Самый характерный пример деменции – болезнь Альцгеймера, которая, более того, обычно начинается в гиппокампе и прилегающих к нему областях[7]. Типичные ранние симптомы, указывающие на нарушения в гиппокампе, – это снижение способности к запоминанию и проблемы с ориентацией в пространстве. Эти симптомы нельзя объяснить недостатком новых нервных клеток, но есть основания предполагать, что при деменции в упадок приходят как раз те функции гиппокампа, для которых требуются новые нейроны. Тогда противодействовать развитию заболевания можно было бы, сохраняя или поощряя нейрогенез взрослых, хотя это не единственное, что понадобится, и цель здесь не в регенерации или восстановлении, но в компенсации конкретных функций. Не в последнюю очередь нейрогенез взрослых вызывает такой большой интерес не только в связи с его принципиальным значением для определенных когнитивных способностей, но и потому, что именно эти центральные мозговые функции нарушаются при деменции. В то же время этот взгляд, господствующий в массе работ по данной теме, не учитывает, что большинство людей, по счастью, не страдает ни депрессией, ни деменцией. У них новые нервные клетки вносят решающий вклад в высшие мозговые функции, которые считаются важной частью человеческой природы.

2

Позитивное следствие холодной войны

Чтобы подтвердить существование нейрогенеза у взрослых, Альтман прибегнул к чрезвычайно трудоемкому доказательству, и Ноттебому двадцать лет спустя пришлось использовать все тот же сложный метод. Более простые методики стали доступны лишь еще через десять лет, в 1995 году, и тогда появилась возможность исследовать нейрогенез взрослых во всей полноте. Однако последним на данный момент методологическим достижением, которое позволило доказать наличие этого явления у человека, мы обязаны, с одной стороны, блестящей идее занимавшихся данной темой ученых, а с другой, как ни парадоксально, – наземным испытаниям атомных бомб, проходившим в 50-е годы XX века.

Как найти новые нервные клетки

Тем не менее в основе старого и нового методов лежит один и тот же принцип. При клеточном делении – а именно это подразумевается, когда говорят, что «рождается» клетка, – требуется удвоить содержащийся в ее ядре генетический материал, то есть ДНК, чтобы обе дочерние клетки получили его неизменным и в одинаковом количестве. Для этого клетка формирует его точную копию, а затем, в ходе умопомрачительно сложного, но удивительно надежного и эффективного процесса, копия и оригинал распределяются между двумя дочерними клетками, которые образовались при делении. Весь процесс клеточного деления, от подготовки до того момента, когда клетки окончательно разделились, называется «клеточным циклом», в нем выделяют несколько стадий. После короткой подготовительной стадии клетка вступает в продолжительную S-фазу. «S» здесь означает синтез, в ходе которого готовится, то есть синтезируется, новый генетический материал и появляется копия генетической информации. Затем, после короткой промежуточной фазы (G2), формируется необходимый для деления аппарат, и обе копии генетического материала перемещаются к двум полюсам клетки. Это M-фаза, где «M» означает митоз. В этот момент возникает очень характерная картина. Уже классические методы окраски, известные с XIX века (к этой части предыстории мы еще вернемся), были основаны на том, что скрученная ДНК связывается с основным красителем[8], в результате чего можно увидеть некое типичное распределение хромосом. Картина эта настолько специфическая, что делящиеся клетки, которые находятся в данной фазе цикла, очень легко распознать.

С другой стороны, митоз по сравнению с продолжительностью клеточного цикла в целом занимает относительно мало времени. Это значительно понижает шансы застать делящуюся клетку именно в фазе митоза. Препарат на предметном стекле подобен моментальному снимку, он фиксирует клетки в определенной стадии цикла. На препарате мозговой ткани млекопитающего увидеть митоз практически невозможно. Из этого анатомы XIX и начала XX века и заключили, что клетки мозга не делятся в принципе.

Чтобы синтезировать новую ДНК, в S-фазе клетке необходимо сырье. ДНК состоит из четырех всем известных оснований – аденина (сокращенно A), тимидина (T), гуанина (G) и цитозина (C), способных соединяться друг с другом в пары, причем A только с T, а C только с G. Эта парная структура также лежит в основе формирования копии ДНК. Исходная двойная цепочка, в которой А всегда связан с T, T с A, C с G, а G с C, раскрывается, как застежка-молния, и получаются две одинарные цепи. Затем эта четырехбуквенная последовательность в каждой цепочке достраивается соответствующими парными основаниями. К T присоединяется A, там, где находится A, появляется T. C связывается с G, а G с C. В результате получаются две новые двойные цепочки, каждая из которых состоит из одной старой и одной новой одинарной цепи.

Суть метода состоит в том, чтобы одну из «букв»-оснований (для этого выбрали T) в лабораторных условиях пометить низкоактивным радиоактивным изотопом водорода, в результате чего это вещество начинает испускать радиоактивное излучение и, таким образом, постоянно сообщает о своем присутствии. Клетку в избытке снабжают меченым основанием T, например введя его в кровеносную систему. Учитывая, что меченый T встречается значительно чаще, чем обычный, который образует сама клетка, первый будет с большей вероятностью встраиваться в новые цепочки, и они станут слаборадиоактивны. Если затем нанести на препарат фотоэмульсию, она потемнеет в тех и только в тех местах, где клетки содержат ДНК с радиоактивной меткой. Радиоактивная метка может находиться исключительно в клетках, появившихся в результате клеточного деления именно тогда, когда был введен меченый тимидин. Таким образом, мы точно знаем, когда произошло деление материнской клетки, давшей начало выявленным потемневшим клеткам.

Если меченой оказалась нервная клетка, то известно время ее образования путем клеточного деления. Если этот момент относится ко взрослому возрасту, значит, мы имеем дело с нейрогенезом взрослых!

Однако определить на основании одного только внешнего вида, относится ли клетка к числу нейронов, не так уж просто. В нашем случае это критически важно, ведь если в данном вопросе возникают сомнения, аргументация в пользу нейрогенеза взрослых теряет всякую силу.

На самом деле именно этот момент в экспериментах Альтмана и вызвал наибольшее количество сомнений. Мог ли исследователь быть уверен, что речь действительно идет о нейронах? Не мог, хотя новообразованные клетки гиппокампа принадлежат к популяции клеток очень характерного внешнего вида. Другим веским аргументом критики был открытый вопрос: какая же клетка, собственно, должна была разделиться, чтобы образовались новые нервные клетки? Ведь никаких подтверждений того, что нейроны могут делиться, по-прежнему не было и нет. Что же это тогда за клеточный тип? Альтман совершенно верно предположил, что существует «некий вид клеток-предшественниц», но о таком типе в тканях головного мозга ничего не было известно, и прошло еще почти 30 лет, прежде чем в 1992 году данное предположение удалось обосновать. Именно тогда Брент Рейнольдс и Самюэль Вейс из канадского Университета Калгари впервые описали стволовые клетки взрослого мозга – а это и есть те клетки, из которых образуются новые нейроны{10}.

Рейнольдс и Вейс открыли стволовые клетки, которые содержатся в стенках наполненных жидкостью мозговых полостей, так называемых желудочков мозга, и отвечают за нейрогенез взрослых в обонятельной луковице. Стволовые клетки гиппокампа были впервые описаны вскоре после этого рабочей группой Фреда Гейджа. Ясодхара Рэй первой выделила их из гиппокампа плода, то есть еще нерожденного организма, и размножила, вырастив клеточную культуру. Ее коллега Тео Палмер, ныне профессор Стэнфордского университета, что находится к югу от Сан-Франциско, в 1995 году опубликовал описание аналогичного процесса в мозге взрослых крыс{11}.

Последнее открытие имело эпохальное значение, но мир научной прессы часто бывает очень несправедлив. Престижные журналы отклонили статью Палмера как недостаточно новаторскую. Его опередили Рейнольдс и Вейс, а также его собственная коллега Рэй. Но именно в его работе был найден, вероятно, важнейший в конечном счете элемент – в первую очередь если говорить о применимости этих данных к человеку. То, что можно было предполагать после исследований Рейнольдса и Вейса, теперь было установлено точно: существуют стволовые клетки, способные производить в гиппокампе крыс новые нейроны. Это и были те самые активно делящиеся клетки, которые Альтман пометил авторадиографическим методом.

Метод, использующий излучение тимидина, отличается трудоемкостью; сегодня к нему также неохотно прибегают из-за радиоактивности, пусть даже очень слабой. Требования высокие, с другой стороны, он сложен в применении. С его помощью можно получить лишь черно-белое изображение; к тому же невозможно использовать его одновременно с современными флуоресцентными методами, когда различные маркеры в клетках дают разный цвет, что позволяет с очень высокой точностью определить клеточный тип. Для этого требуется «холодный» процесс, в ходе которого можно было бы маркировать флуоресцентными красителями в том числе новообразованный генетический материал. Хотя такой процесс и был разработан в 80-е годы, в сферу изучения нейрогенеза взрослых он проник лишь еще через много лет после фундаментальных исследований Ноттебома – тот все еще опирался на тимидиновый метод. Первая работа, в которой с помощью современной методики, с одной стороны, четко пометили новые клетки, а с другой – маркировали их принадлежность к нейронам, относится к 1996 году. Эта методика носит название используемого в ней вещества, бромдезоксиуридина, сокращенно БДУ. БДУ – аналог тимидина, в том числе в ДНК он может замещать основание T. Иными словами, он очень похож на тимидин, вступает с ним в конкуренцию и встраивается вместо него в новые цепочки ДНК, но это сходство не бесконечно. Особые белки иммунной системы, называемые антителами, способны отличить БДУ от тимидина. Если пометить такое, распознающее только БДУ, антитело, флуоресцентным красителем, то под флуоресцентным микроскопом все клетки, содержащие новообразованную ДНК, будут светиться – в отличие от других, старых клеток, содержащих лишь обычный тимидин (см. рис. 4 на вклейке).

Этот метод с использованием БДУ до сих пор остается основным в исследовании новых нервных клеток. В то же время сегодня с целью подтвердить и более точно описать нейрогенез взрослых разработано множество других методик. В науке это происходит постоянно: она стремится постичь одно и то же явление разными, независимыми друг от друга методами. Только их независимость и позволяет гарантировать, что мы не находимся в плену всеобщего заблуждения.

Благодаря такому методологическому разнообразию мы можем считать существование нейрогенеза у взрослых млекопитающих, включая человека, установленным фактом. Однако до этого пришлось пройти долгий путь.

Пределы нейрогенеза взрослых у человека

В первую очередь стало понятно, что тимидиновый метод нельзя применять к человеческому организму, поскольку в нем используется радиоактивное излучение, пусть и очень слабое; но при этом никакой другой методики в распоряжении ученых не было. До 1998 года на этом месте в истории стояла точка, и в том числе по этой причине открытие Альтмана сперва не вызвало того большого воодушевления, с которым мы говорим о нем сегодня. Требовался метод с использованием БДУ, который стал распространен только в 90-е годы XX века.

Как правило, в научном фольклоре неприятие идеи нейрогенеза взрослых всецело приписывают одному человеку – легендарному ученому югославского происхождения Паско Ракичу из Йельского университета, которому мы во многом обязаны своим пониманием того, как развивается кора головного мозга у приматов; но главное – что он действительно был первейшим скептиком в отношении данного открытия. Своими революционными работами Ракич создал препятствие, которое сначала казалось непреодолимым. Дело в том, что, всесторонне исследуя кору головного мозга у обезьян, нейрогенеза взрослых он там ни разу не видел. С другой стороны, он занимался именно новой корой, а не гиппокампом. В свою очередь, Альтман описывал явление нейрогенеза и в новой коре тоже, а вся эта научная область тогда была развита значительно меньше, чем сегодня. Веских оснований распространять аргумент Ракича не только на новую кору, но и на гиппокамп на самом деле никогда не существовало (хотя гиппокамп представляет собой нечто вроде новой коры головного мозга в упрощенном виде), однако такое могло произойти, учитывая, как мало было известно ученым на заре подобных исследований. Когда в 90-е годы ХХ века Ракич наконец перешел к исследованию гиппокампа, ему пришлось признать, что нейрогенез взрослых встречается и у обезьян. Но в неокортексе его по-прежнему не было ни у грызунов, ни у обезьян, ни у человека. В итоге получилась странная дискуссия, участники которой никак не могли найти между собой общий язык и которая причинила много вреда. Однако Фернандо Ноттебом, утверждая, что Ракич таким образом якобы «единолично отбросил всю область на десятилетия назад», на самом деле тоже был не совсем прав – позже мы это увидим. Самая значительная работа Ракича, опровергающая идею нейрогенеза взрослых, – это статья, которая вышла в 1985 году, то есть на пике энтузиазма вокруг канареек, и в статье этой Ракич говорит о «пределах нейрогенеза взрослых у человека»{12}. С одной стороны, для этого он использовал свои наблюдения за неокортексом обезьян, с другой стороны, он привел некий очень важный теоретический аргумент, хотя и лишь в коротком заключительном предложении. Ракич утверждал, что потеря способности к нейрогенезу во взрослом возрасте – это признак более высокого уровня развития мозга. В своей аргументации он также обращался к эволюции и отстаивал ту точку зрения, что приматы утратили способность к нейрогенезу, поскольку новые нервные клетки несовместимы с огромными мыслительными способностями нашего мозга. Новые нейроны, по мнению Ракича, внесли бы в сеть нестабильность, и как следствие – оказали бы разрушительный эффект. В корне этот аргумент игнорировать нельзя, и позже он приобрел свое значение. Правда, не то, которое предполагал Ракич, а как раз обратное. В действительности нейрогенез взрослых позволяет обеспечить баланс между стабильностью и пластичностью. Это идет человеческому мозгу на пользу. Развитый с эволюционной точки зрения, сложный мозг отличается не только стабильностью (которая, конечно, также необходима), но и пластичностью тоже. Однако вначале аргументация Ракича возымела свое действие, несмотря на то что он вовсе не касался в своих исследованиях гиппокампа, и в его статье, «вообще говоря», речь шла о новой коре головного мозга.[9]

Илл. 5. Паско Ракич, сотрудник Йельского университета, был (по выражению Дэвида Гримма) «пятизвездным генералом» лагеря скептиков, которые сомневались в существовании нейрогенеза взрослых у млекопитающих и в том, что в новых нейронах вообще может быть какой-то смысл

Тезис, который Ракич выдвинул в 1985 году, был опровергнут в 1998-м. Петеру Эрикссону удалось впервые описать нейрогенез взрослых у человека, и это была настоящая работа века{13}. Правда, речь опять шла о гиппокампе, а не о новой коре, но к этому времени значение первого для высшей мозговой деятельности уже стало бесспорным, и если образование новых нейронов в гиппокампе человека можно было представить как исключение, которое подтверждает правило, то это исключение все же имело огромный вес.

Петер Эрикссон был шведским неврологом из Гётеборга, несколько месяцев проработал у Фреда Гейджа в Ла-Хойе и с тех пор поддерживал с ним тесное сотрудничество. Дело в том, что другие сотрудники из группы Гейджа – Тео Палмер и Дэниел Петерсон – располагали некоторыми специальными знаниями, которые требовались Эрикссону для его крупного проекта. Он поставил перед собой большую задачу: заполнить существенный пробел в знаниях и подтвердить существование нейрогенеза взрослых у человека. Однако в ходе эксперимента для аналогичного доказательства на крысах и мышах животным вводили радиоактивный тимидин или БДУ, чтобы затем эти вещества можно было увидеть на препарате мозга, а этот метод невозможно беспрепятственно использовать на человеке. Меченный радиоактивностью тимидин и БДУ в долгосрочной перспективе с большой вероятностью могут вызывать рак, значит, такое исследование проводить нельзя. Собирая информацию, Эрикссон наткнулся на парадоксальный факт: БДУ когда-то разрабатывали в качестве лекарства от рака, хотя позже оказалось, что для этой цели он совершенно непригоден. Тем не менее, как он выяснил, это вещество имело клиническое применение – им маркировали раковые клетки, чтобы после хирургического удаления опухоли лабораторными методами установить, насколько активно они делятся. Для рака характерно неконтролируемое деление клеток, если оно происходит с большой скоростью, значит, опухоль злокачественная. Однако от такого использования БДУ довольно быстро отказались по двум причинам. Во-первых, это все равно, что вышибать клин клином. Подвергать онкологических больных дополнительному риску развития рака в диагностических целях сочли неприемлемым, а БДУ, как выяснилось, может иметь такой серьезный побочный эффект. Во-вторых, параллельно были разработаны другие способы определения скорости клеточного деления. Новые методы не требовали предварительного введения маркирующих веществ. Теперь патологи измеряют этот параметр прямо в тканях, где для этого ищут белки, которые возникают только в ходе клеточного цикла. Это позволяет определить активность клеточного деления в опухолях, но установить факт нейрогенеза таким образом невозможно, поскольку деление стволовых клеток мозга – это только начало длительного процесса, в ходе которого развивается полноценный новый нейрон. Эрикссон сделал гениальный шаг: он нашел небольшую группу пациентов, которые когда-то участвовали в клиническом исследовании, где им все еще вводили БДУ. Больные страдали опухолями гортани, и особенность исследования состояла в том, что рак в данном случае лечили исключительно оперативным путем, без применения лучевой или химиотерапии. Операция, разумеется, проводилась только на самой гортани, тогда как химиотерапия наверняка, а облучение – скорее всего затронули бы и гиппокамп, а значит, погибли бы не только раковые, но и стволовые клетки, которые активно делятся в процессе нейрогенеза взрослых.

Эрикссон связался с участниками исследования и с пятью из них сумел договориться о завещании, в котором они давали согласие на использование их мозга после смерти в нейропатологическом исследовании, посвященном нейрогенезу взрослых. Переговоры эти, без сомнения, были непростыми. Обсуждать вскрытие в научных целях трудно, поскольку собеседнику это прямо говорит о том, что его смерть предрешена. В то же время, многие пациенты в такой ситуации проявляют неожиданное великодушие и охотно идут ученым навстречу. Возможно, это объясняется тем, что участие в подобном исследовании придает смерти осмысленности.

Однако совершить это доброе дело в реальности оказалось не так просто. Возможность выявлять маркированные клетки в тканях мертвого тела сохраняется очень недолго. Как известно каждому любителю судебно-медицинских теледетективов, сразу после смерти начинается разложение. Спешка в такой момент выглядит неуважительно, так что здесь требуется не только мастерство в области логистики, но и большой такт, иначе будет казаться, что последняя воля усопшего сведена к распоряжениям какого-то ученого, которого никто даже не знает. В научных кругах ходят легенды о том, как Эрикссон после звонка из больницы мчался по ночным коридорам, чтобы проследить за переводом тела в патологоанатомическое отделение. Как бы все это ни происходило в действительности, тут требовалась большая самоотдача, причем как от пациента, так и от исследователя.

В любом случае в результате появилась возможность исследовать мозг пяти пациентов после их смерти. Как уже было сказано, метод использовался тот же самый, что и на мозге лабораторных зверей. Но даже в случае применения одних и тех же принципов и при полной идентичности всех процессов работа с тканями человеческого тела – это высший пилотаж. Ученые могут точно установить все параметры исследования с животными и стремятся как можно точнее воспроизводить условия эксперимента; при работе с образцами тканей человеческого тела приходится смириться с возможными рисками. В первую очередь с каждой минутой после смерти мозговые ткани все сильнее разлагаются, а значит, каждый их образец будет взят в новых конкретных условиях, и исследователь должен это учитывать.

Наконец пробы были готовы. То, что Эрикссон и его коллеги увидели под микроскопом, не только оправдало, но и превзошло все ожидания. Прежде всего, это были новые нервные клетки, и, таким образом, у ученых на руках оказалось первое свидетельство их присутствия в мозге взрослого человека (см. рис. 6 на вклейке). Но также они отметили, что этих клеток на вид было гораздо больше, чем они могли предполагать. Правда, в препаратах иногда был виден один новый нейрон, в отдельных случаях два или ни одного. Но, если учесть, что препарат – это чрезвычайно тонкий срез, каких человеческий гиппокамп вмещает сотни, клеток все же было на удивление много. Указать их точное число на основании полученной картины не позволяли правила количественного анализа, которые применяются к таким пробам. Слишком многие условия, необходимые для этого, не были или возможно не были выполнены. Но качественная оценка тоже имеет смысл. Это повод продолжать исследования, в которых можно попытаться подтвердить или опровергнуть ее стандартными средствами.

Как ни странно, ни один из двух крупнейших и важнейших научных журналов, Science и Nature, к истории Эрикссона интереса не проявил. Ученые всего лишь подтвердили некое предположение – очевидно, для обеих редакций этого было недостаточно.

Так что они проигнорировали работу, которая и сегодня еще принадлежит к самым цитируемым. Один из журналов семейства Nature – Nature Medicine, тоже довольно уважаемый, – все же напечатал статью, и до сих пор пользуется плодами того огромного резонанса, который она вызвала.

Если бы нейрогенезу взрослых выдали свидетельство о рождении на основании общественного мнения и признания, то это произошло бы, когда вышла статья Эрикссона. С другой стороны – и тут редакторы Science и Nature были не так уж неправы, недооценивая человеческую психику, – эта работа фактически была «всего лишь» доказательством – доказательством того, что все исследования, которые привели нас от крыс Альтмана и канареек Ноттебома к стволовым клеткам, имеют значение и для людей.

Нужно больше подтверждений

И все же все опять вышло иначе.

Пусть никто (или почти никто) и не оспаривал вывод Эрикссона, но в науке тоже часто действует правило «один раз не считается». Оно даже вполне обоснованно, если говорить о методах, которыми мы пытаемся что-то подтвердить или опровергнуть.

К сожалению, проводить подобные доказательства – не слишком популярное занятие. Действует безжалостный примат оригинальности исследования. Ситуация складывается парадоксальная: часто результаты трудоемких и сложных опытов очень и очень долго остаются невоспроизведенными и, как следствие, не считаются подтвержденными.

Бывает, что подтвердить эксперимент можно без лишних затрат, и это становится побочным результатом какой-нибудь совершенно другой работы, проводимой с иными целями; но в противном случае крупные открытия иногда подолгу никто не проверяет.

Здесь есть некоторое противоречие: все хотят получить доказательство, но никто не готов им заниматься или платить за это. Исследование Петера Эрикссона, в котором он описал нейрогенез взрослых у человека, – характерный пример такой ситуации. Больше не было пациентов, которым был бы введен БДУ, а если бы и были, исследование все равно потребовало бы слишком больших усилий, чтобы просто что-то подтвердить. Но и альтернативы не было.

Стволовые клетки в мозге человека

Значит, нужно было искать иные, косвенные свидетельства. Для начала требовалось показать, что в мозге взрослого человека тоже есть стволовые клетки, из которых могут образоваться новые нейроны. Мы уже видели, как сильно они в качестве аргумента способствовали тому, чтобы идея нейрогенеза взрослых вообще получила признание. Наличие стволовых клеток – необходимая предпосылка для данного процесса. Этого недостаточно: если мы видим такую клетку, это не значит, что она непременно превратится в нейрон; но ее присутствие говорит о такой возможности. Задача это совершенно нетривиальная. Где взять свежую, живую ткань человеческого мозга, из которой можно было бы выделить стволовые клетки?

Как всегда, когда речь идет о тканях и клетках человека, встают этические вопросы.

На самом деле можно попытаться выделить клетки из мозга умерших людей. По сути это ничем не отличается от донорства органов, хотя цель здесь другая. Любой может пожертвовать клетки своего мозга науке. В качестве органа для трансплантации он по понятным причинам не рассматривается (говорят также, что в этом случае речь шла бы о пересадке тела, поскольку именно мозг, а не все остальное туловище содержит личность).

Исследуя ткани мозга покойных, действительно удалось показать, что в гиппокампе и стенках желудочков у взрослого человека содержатся стволовые клетки{14}. Но подобные эксперименты не только требуют деликатности («touchy», как сказали бы американцы). Это очень кропотливая работа, которая приносит скудные результаты. Стволовые клетки довольно прочные, но долго жить без питания и кислорода они все же не могут. То их малое количество, которое удается получить, оказывается очень неровного качества. Тем не менее был сделан еще один маленький шаг.

К счастью, есть более простой путь. Случается, что человеку приходится удалить часть гиппокампа. В силу анатомического строения при такой операции мы всегда получаем кусочек гиппокампа, в котором находятся стволовые клетки и из которого их можно выделить. Но зачем вообще кому-то может понадобиться такая процедура?

Судорожные припадки – одна из патологий мозговой деятельности, при которой внезапно возбуждается сразу большое количество нейронов. Преобладающий в нормальной ситуации нейрональный «шум» вдруг переходит в «грохот». В крайних случаях это состояние распространяется на весь мозг («генерализованный припадок»), что ведет к «большому припадку». Однако гораздо сильнее распространены более тонкие проявления. Если подобные припадки случаются часто, говорят об эпилепсии.

Существует вид эпилепсии, при котором судорожные припадки берут начало в гиппокампе. Эпилепсия считается очень распространенным диагнозом, но на самом деле он объединяет под собой множество совершенно различных заболеваний. Их общая черта – приступообразные эпизоды разряда нейронов. Обычно приступы проявляются в моторных явлениях, которые нам знакомы по «судорожным припадкам», но встречаются и совершенно иные симптомы, также в форме приступов, иногда и психического свойства. Вид симптома всегда зависит от того, где эпилепсия (или приступ) берет свое начало. Если это происходит в гиппокампе, они могут принимать очень сложные формы, поскольку он сам обладает сложными функциями. Эпилепсию с очагом в гиппокампе и прилегающих к нему областях называют височной, поскольку все это происходит в височной доле мозга. Контролировать такую эпилепсию может быть очень трудно. Большинство больных сегодня успешно получают медикаментозное лечение; многим при этом удается полностью свести приступы на нет. Но бывает, что никакие средства не действуют, и тогда приходит черед хирургов, которые удаляют очаг заболевания (его также называют «фокусом»). В частности, это случилось с пациентом H.M., только тогда такая операция была смелым единичным экспериментом, и отважный хирург, совершивший ее, еще не мог знать, что удалять оба гиппокампа ни в коем случае нельзя, иначе можно получить полную потерю способности к обучению. Человек прекрасно обходится одним гиппокампом, но без двух уже не справляется, поэтому в современной практике хирургического лечения эпилепсии больше одного гиппокампа никогда не удаляют.

Ткани, содержавшие очаг, хирург передает неврологу-патологу, чтобы тот проверил, не была ли причиной болезни опухоль, а ученые с согласия пациента могут использовать все остальное, чтобы получить стволовые клетки. Ведь без последних нейрогенез взрослых невозможен. Они составляют необходимое условие данного процесса, поэтому, когда доказали, что в человеческом мозге есть стволовые клетки, это послужило косвенным аргументом в пользу нейрогенеза взрослых.

С годами из исследований на мышах и крысах стало понятно, как именно развиваются нейроны во взрослом мозге. Чтобы выяснить, какие из так называемых маркеров, по выражению ученых, «экспрессируются» (синтезируются) в процессе нейрогенеза взрослых, помимо методической сноровки и терпеливости, требовалась сила воображения: на основании статичной картины, которую дает зафиксированный препарат ткани под микроскопом, нужно было определить процесс для использования в эксперименте. Маркеры – это особые молекулы, чаще всего белки (протеины), которые позволяют идентифицировать клетку или какое-то ее конкретное состояние. В ходе развития синтезируются самые разнообразные комбинации маркеров. Белки на каждой стадии и в каждом состоянии клетки выполняют узкоспециализированные функции. Из состава белков и их комбинаций можно сделать самые точные, детальные выводы.

Так, стволовые клетки, с которых начинается процесс клеточного развития, характеризуются работой определенных генов, именуемых генами стволовых клеток. Благодаря им такие клетки остаются недифференцированными, сохраняя возможность дальнейшего развития по любому пути[10]. Примеры таких генов – Sox2 и нестин. Кстати, в качестве названий генов используют странные обозначения, иногда совершенно фантастические, а иногда очень техничные; их часто употребляют в виде сокращений и аббревиатур. На самом деле это всего лишь названия, и не следует слишком задумываться об их возможных буквальных значениях. Как правило, они складываются исторически и часто сохраняются, даже если оказалось, что, помимо локализации или функции, давших гену имя, существует большое количество другой важной информации о нем или что они вообще определены неверно. Такие названия нужно воспринимать просто как обозначения, не следует пытаться интерпретировать их. Sox2 означает «SRY-box-containing gene 2» (ген, содержащий SRY-бокс 2), а SRY, в свою очередь, – это «sex-determining region Y» (определяющий пол регион Y). Даже для тех, кто постоянно имеет дело с данным геном и белком, который он кодирует, его название перестало быть интуитивно понятным или стало совершенно нечитаемым; при этом оно вообще не содержит никакого указания на то, что речь идет о важнейшем гене стволовых клеток.

Стволовые клетки предрасположены к делению, поэтому в них можно найти множество белков, связанных с этим процессом и с клеточным циклом. Готовому же нейрону они, как и множество другого белкового строительного материала, уже не нужны (даже если учесть, что некоторые белки ведут себя коварно и в зависимости от момента времени и от ситуации выполняют совершенно различные функции). В отличие от делящейся стволовой клетки, нейрон содержит все те белки, которые требуются, чтобы перерабатывать и передавать дальше электрическое возбуждение и выделять нейромедиаторы – они обеспечивают связь с соседней нервной клеткой. Клетка крови обладает иными свойствами, чем мышечная или костная, и, соответственно, каждой из них понадобится свой собственный набор всевозможных молекул; то же самое можно сказать о клетках одного и того же типа, но находящихся на разных этапах развития. Чтобы превратиться в нейрон, стволовая клетка проходит длинный путь, при этом ее свойства неоднократно коренным образом изменяются. По мере развития она все меньше становится похожа на стволовую клетку и все больше на нервную. Это сложный процесс, он подчиняется жесткой генетической программе. Поскольку здесь все очень четко определено, исследование белков, содержащихся в клетке, позволяет получить огромное количество информации.

Исследуя нейрогенез взрослых у мышей и крыс, ученые установили, что при образовании новых нервных клеток всегда присутствует белок под названием даблкортин, сокращенно DCX. Он синтезируется в течение некоторого времени, когда клетка выходит из фазы стволовой и начинается созревание нейрона. Этот белок, вероятно, играет некоторую роль в миграции клеток к месту назначения[11]. Он иногда описывается как своего рода дестабилизатор внутреннего скелета клетки («цитоскелета»). Цитоскелет обеспечивает относительную жесткость и помогает сохранять форму клетки. Если ген DCX в результате мутации не работает, в процессе развития коры нарушается миграция нейронов и возникает аномальное расслоение, «двойная кора», с которой и связано название белка[12]. В мозге взрослых особей DCX, вообще-то, встречается далеко не только в новых нейронах, но в «зонах нейрогенеза» он совершенно определенно связан с ними.

В результате DCX стали регулярно использовать как своего рода косвенный маркер нейрогенеза.

Это относительно надежно (хотя нельзя сказать, что всегда точно), а поскольку способов подтвердить наличие нейрогенеза взрослых у человека довольно мало, вскоре стали появляться многочисленные работы, в которых из присутствия в человеческом мозге DCX-положительных клеток исследователи делали порой очень глубокие выводы относительно данного процесса – например, что он может быть ослаблен при шизофрении. Здесь ученые попали в порочный круг, поскольку тогда еще не было подтверждено, что DCX в предполагаемых зонах нейрогенеза у человека обладает той же спецификой, что у мышей и крыс: для этого потребовалось бы как раз то самое доказательство, которое пытались обойти с помощью DCX как косвенного маркера (см. рис. 6 на вклейке){15}.

Впрочем, DCX – не единственный белок, который можно обнаружить при нейрогенезе взрослых. Используя этот факт, ученые вызвали синтез DCX в присутствии определенного состава других белков, который повышал вероятность того, что DCX действительно указывает в том числе на формирование нейронов и у взрослого человека тоже. Для этого использовали множество маркеров, присутствие которых удалось достоверно установить в процессе нейрогенеза у грызунов. Поскольку все эти белки – не просто маркеры, а имеют в основном совершенно конкретные функции в развитии нервных клеток и поскольку генетические программы реализуются в жестком порядке, было все менее и менее вероятно, что появление этих же сочетаний маркеров у человека говорит не о нейрогенезе, а о чем-то совершенно ином.

В результате подобных исследований накопилось множество косвенных признаков того, что, по крайней мере, в гиппокампе человека нейрогенез взрослых мог бы протекать точно так же, как у мышей и крыс. Были также очень убедительные, хотя и несколько умозрительные сообщения, например, о том, что, возможно, при шизофрении это явление ограничено. Поскольку методы использовались косвенные, а количественная оценка затруднена, очень сложно делать подобные заключения, но не следует безоговорочно отметать их на основании методологических сомнений. Такого рода сообщения продолжали подогревать эмоции. Что, если нарушения в нейрогенезе взрослых позволят объяснить одно из самых пугающих человеческих заболеваний? Все острее стояла необходимость в независимом подтверждении работ Эрикссона 1998 года.

Как нейробиологи бомбу полюбили

Средство, как это сделать, наметилось к 2005 году. Его опять нашли шведы. Йонасу Фрисену и его коллеге Кирсти Сполдинг из Каролинского института в Стокгольме пришла в голову идея, которую следовало бы назвать совершенно сумасбродной. Но самое безумное в ней было то, что в результате она сработала (см. рис. 6 на вклейке).

Возраст мумий, костей динозавра или произведений искусства, которые якобы созданы в Средние века, определяют с помощью так называемой радиоуглеродной датировки. В основе этого метода лежит радиоактивный распад углерода-14 (14C), обладающего большой энергией, до изотопа с низкой энергией – углерода-12 (12C).

Фрисен и Сполдинг решили использовать углеродную датировку, чтобы доказать существование нейрогенеза взрослых. Правда, вскоре стало ясно, что это едва ли возможно, потому что у атомов углерода слишком длинный период распада. И все же ученые сосредоточились на другом способе углеродной датировки, который они пусть и не открыли, но усовершенствовали (абсолютно потрясающим образом) настолько, что с его помощью удалось подтвердить нейрогенез в гиппокампе взрослого человека.

Земля постоянно находится под обстрелом космических лучей, но – к счастью – в нас из них попадают немногие. Когда эти лучи сталкиваются в атмосфере с атомами углерода (а в составе углекислого газа их там хоть отбавляй, как в последнее время все знают из разговоров о глобальном потеплении), обычные атомы углерода-12 (12C) получают дополнительную энергию и превращаются в углерод-14 (14C). Такое случается не слишком часто. Атом углерода в результате становится чуточку тяжелее, но это мало что меняет. В общем и целом космическое излучение очень стабильно, так что содержание 14C в атмосфере на протяжении тысячелетий было почти постоянным и всегда оставалось очень низким. На триллион атомов 12C приходится всего один атом 14C.

Однако с 1945 по 1963 год был еще один источник излучения, которое воздействовало на атомы углерода так же, как лучи из космических глубин. В течение этих восемнадцати лет проводили наземные атомные взрывы – в испытательных целях, за исключением двух бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. При этом испытывали не только технику, но и действие жестов запугивания, на котором в годы холодной войны держался хрупкий баланс всеобщего страха. В 1963 году жарковато стало уже самим атомным державам, и Договор о нераспространении ядерного оружия положил конец наземным ядерным испытаниям. Вовсю продолжались подземные взрывы, но над землей, в атмосфере, содержание 14С к этому моменту уже выросло в тысячи раз по сравнению с предшествующими миллионами лет. С тех пор количество 14С в атмосфере быстро сокращается, но не из-за радиоактивного распада, а потому, что растения поглощают углекислый газ и используют содержащийся в нем углерод как строительный материал для стволов, ветвей, листьев и цветков. Кое-что также выпадает с дождями и уходит в землю. Через 50 лет после подписания Договора о нераспространении ядерного оружия основная масса 14C уже исчезла.

Таким образом, произошел резкий всплеск (рост и спад) в концентрации 14C, которая в течение многих лет до этого оставалась равномерной (и, будем надеяться, будет такой же впоследствии). Его можно сравнить с колебаниями при введении меченного радиоактивностью тимидина (как в исследованиях Альтмана, Ноттебома и Элизабет Гульд) или БДУ. Дело в том, что растения быстро поглотили углерод-14, а затем передали его животным и людям, которые употребляют их в пищу; люди также получают его от животных в виде мяса и колбасных изделий. Как мы уже говорили, при делении клетка дублирует свою ДНК, а в качестве строительного материала для этого она в конечном итоге использует углерод, и если уж ей попадется 14C вместо 12C, она его употребит. Для самого процесса никакой разницы нет, но новая ДНК после этого выглядит чуточку иначе. Когда 14C в атмосфере было больше, чем 12C, их соотношение в молекулах также было иным, чем до и после этого. Остается «просто-напросто» определить эту пропорцию в клетке, чтобы вполне точно сказать, когда она появилась относительно пика концентрации 14C в атмосфере, достигнутого в 1963 году. Звучит прямолинейно, но при реализации этой авантюрной затеи ученым пришлось продемонстрировать высший пилотаж. Что весьма необычно, их продвижение к успеху проходило на глазах научной общественности. Первая публикация, в которой был представлен данный метод, вышла в 2006 году и оказалась весьма сенсационной – а в ней авторы всего лишь доказали, что в новой коре головного мозга у человека новые нервные клетки не образуются{16}. Что ж, это было интересно, но не слишком волнующе. Человеческий неокортекс имеет огромные размеры по сравнению с гиппокампом или обонятельной луковицей; настолько же проще исследовать ее, а не какую-либо из этих областей.

Сполдинг, Фрисен и их коллеги брали образцы мозга умерших людей (разумеется, с их предварительного согласия) и выделяли клетки. Они метили нейроны антителами к белку, который встречается только в их ядрах и называется NeuN (читается: «ной-эн»)[13]. Затем они пропускали отдельные клетки через так называемый сортировщик клеток, прибор FACS. FACS расшифровывается как Fluorescence-activated cell sorting (сортировка клеток с активированной флуоресценцией). Флуоресцентные маркеры, прикрепленные к антителам, распознающим белок NeuN, накапливаются только в определенных клетках – в данном случае тех, которые синтезируют этот белок, то есть только в нейронах. Струя жидкости с клетками пересекает лазерный луч, который заставляет светиться флуоресцентный маркер, фотоэлектрический умножитель считывает этот сигнал, и, в случае положительного сигнала, компьютер мгновенно активирует электрическое поле, отклоняющее струю раствора, содержащего отдельные клетки, безошибочно направляя NeuN-позитивные клетки по одной (!) в специально подготовленный отдельный приемник. Таким образом клетки сортируются, пока в конце концов в одной емкости не окажутся только нейроны, а в другой – все остальное. Даже организовать все это было непростым предприятием, хотя метод FACS уже много лет широко применяется в науке.

За этим следовал еще более сложный шаг. Выделение ДНК из нейронов – рутинная задача, но потом нужно было измерить в молекулах соотношение 14C и 12C. Как это сделать? С помощью масс-спектрометрии. Она позволяет установить распределение масс в смеси веществ. 14C совсем немного тяжелее, чем 12C. Сможет ли прибор измерить эту бесконечно малую разницу, зависит от его чувствительности. Быстро стало понятно, что обычный масс-спектрометр на это неспособен. Но в науке есть и другие вопросы, для ответа на которые требуется высокочувствительная масс-спектрометрия. Фрисен и Сполдинг стали искать такое устройство, и нашли, можно сказать, у себя же под боком – в Уппсале, ровно на 75 км к северу от Стокгольма. Обычный масс-спектрометр по размерам похож на персональный компьютер 80-х, но то, что построили в помещениях Уппсальского университета, скорее можно сравнить с ракетой «Сатурн-5» в горизонтальном положении. Это устроено так же, как кольца ускорителей в ЦЕРНе[14]: больше размер – выше чувствительность. Почти никакой другой масс-спектрометр не может сравниться по этому параметру с тем, что установлен в Уппсале (см. рис. 7 на вклейке).

Фрисен и Сполдинг разыграли захватывающий спектакль. С 2005 года весь мир знал, чего они добиваются и как собираются это устроить, но они не спешили раньше времени публиковать данные по гиппокампу. Ученые могли пойти на этот риск. Конкуренты, возможно, и хотели бы нанести им удар их же собственным оружием, но столкнулись бы с практически непреодолимыми препятствиями: во-первых, им недоставало опыта и знаний о методе, во-вторых, еще пришлось бы убеждать физиков из Уппсалы предоставить свою машину в распоряжение конкурирующему предприятию. Сценарий был безупречный. Для начала Фрисен и Сполдинг сообщили в печати, что в обонятельной луковице у человека, по всей вероятности, нейрогенез взрослых отсутствует. А затем наконец в 2013 году вышла долгожданная статья о гиппокампе{17}. В ней ученые проанализировали образцы тканей, взятые после смерти более чем у пятидесяти человек. Было четко установлено: гиппокампальный нейрогенез взрослых у людей тоже существует.

Работа вышла в журнале Cell. Исследователи не ограничились тем, чтобы просто подтвердить гипотезу новыми средствами, – они предприняли следующий шаг, а именно попробовали выполнить количественную оценку, причем успешно. Для этого пришлось разработать сложные математические модели. В результате выяснилось, что в течение жизни образуется около трети клеточных ядер в гиппокампе человека. Высказанное уже в работе Эрикссона предположение о том, что людям гиппокампальный нейрогенез взрослых свойственен не меньше, а скорее больше, чем мышам и крысам, подтвердилось.

Итак, сегодня мы можем предполагать не только что у людей в гиппокампе во взрослом возрасте тоже происходит нейрогенез, но и что этот процесс более масштабный, чем ожидалось. Отсюда вполне обоснованно можно заключить, что у него есть какая-то функция. Теперь предстоит понять, в чем она состоит и соразмерна ли тому значению, которое ей приписывали, а также силе увлечения этим явлением. Судя по всему, так оно и есть.

3

«Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда»

Имеет смысл подробнее поговорить о том, почему понадобилось столько времени, чтобы признать существование нейрогенеза взрослых. Мы поймем, с какими представлениями он соперничал и какие вопросы возникали в связи с ним.

В первые годы, примерно до конца прошлого тысячелетия, исследователи нейрогенеза взрослых были немного похожи на жителей галльской деревушки из комиксов и фильмов про Астерикса. Окруженные не верующими в нейрогенез «римлянами», они, конечно, могли думать, что у них припасен волшебный напиток, но их звездный час все никак не наставал. Даже в сфере исследований стволовых клеток, которая активно развивалась, нейрогенез взрослых оставался на вторых ролях. Чтобы новым разработкам начали придавать значение, требуется время, это нормально. Однако в данном случае выглядело так, будто этому активно препятствовали. К теме не просто не проявляли интереса – она вызывала открытый протест. Само по себе это не обязательно плохой знак. Горячие дискуссии вокруг некой идеи говорят о том, что в ней что-то есть, пусть даже ее тезисы в итоге окажутся несостоятельными. Но здесь был иной случай.

Маленькая галльская деревня уже давно готовилась прорвать окружение, количество публикаций росло по экспоненте, и тема нейрогенеза взрослых стала отчетливо звучать на конгрессах по стволовым клеткам. Фред Гейдж стал сооснователем, а впоследствии президентом Международного общества исследователей стволовых клеток (ISSCR). Вряд ли найдется более яркое свидетельство признания нашей темы.

От еретиков к ортодоксам

То, сколько лет потребовалось, чтобы открытие Альтмана получило признание, позже сильно занимало исследователей нейрогенеза. Сам ученый долгое время молчал об этом. Лишь в 2011 году вышла книга, где в одной из глав он озвучил свой взгляд на произошедшее{18}. В этих запоздалых строках все еще звучат отголоски большого разочарования и многолетней обиды. Он опубликовал ряд работ, в том числе статью 1969 года, в которой впервые был описан нейрогенез взрослых в обонятельной луковице и которая до сих пор остается в тени знаменитой публикации 1965 года о гиппокампальном нейрогенезе взрослых, а затем, с начала 70-х годов, больше ничего не писал об образовании нейронов в мозге взрослого организма. Впрочем, он получил широкое признание как нейроанатом и прославился своими чрезвычайно подробными, фундаментальными описаниями эмбрионального развития мозга. И все же Альтман гораздо более известен тем, что подтолкнул ученых к открытию нейрогенеза взрослых, хотя и не занимался активно дальнейшими исследованиями по этой теме. Его жена, Ширли Байер, в начале 80-х годов опубликовала еще несколько статей об этом явлении, а затем тоже полностью посвятила себя изучению развития мозга и вместе с мужем издавала большие фундаментальные работы по анатомии. В результате тот настоящий бум, который случился в области исследования нейрогенеза в 90-е годы, Альтман в известном смысле наблюдал со стороны.

Историкам науки еще предстоит провести расследование, но идея о том, что деятельность Альтмана сознательно замалчивали и подавляли, не выдерживает никакой критики. Скорее его открытие опередило науку своего времени, и это в совокупности с описанными сложностями и некоторыми неудачными обстоятельствами привело к тому, что заслуженного признания он не получал очень долго. Однако в 2012 году император Японии вручил ему International Prize of Biology[15] – нечто вроде маленькой Нобелевской премии в этой области.

Когда открытие совершается неожиданно, как правило, оно проходит четыре стадии (здесь я процитирую книгу Джошуа Фоера «Эйнштейн гуляет по Луне» (Moonwalking with Einstein), хотя эта формулировка передается из уст в уста уже давно и автор ее неизвестен; похожую цитату можно также найти у Шопенгауэра):

1. Я об этом ничего не слышал.

2. Этого не может быть.

3. Возможно, это правда, но это не важно.

4. Я всегда это говорил.

После продолжительной борьбы нейрогенез взрослых наконец перешел в четвертую стадию. Об этом свидетельствует в том числе запоздалая награда, которую получил Альтман. В начале 90-х годов, невзирая на открытия Ноттебома, эта тема в основном оставалась где-то между первой и третьей стадиями, в зависимости от образованности того, кто о ней рассуждал. Бо́льшая часть ученых, и уж тем более широкая общественность все еще об этом ничего не слышали. Во взрослом мозге новые нервные клетки не образуются – это была прописная истина. В ответ на сообщения о том, что все может быть иначе, одни возражали вслух, другие молча сомневались; отдельные скептики есть и сейчас. В сущности, это хорошо: ведь наука питается сомнениями. Нет ничего опаснее, чем думать, что все понимаешь, и при этом ошибаться.

Когда все данные вроде бы известны и на вид хорошо согласуются между собой, возникает ложное ощущение, что в данной области скоро будет нечего исследовать. Видные физики в конце XIX века считали свою науку законченной – ведь все уже изучено. А это было задолго до Эйнштейна и миллиардных инвестиций в гигантские ускорители в Швейцарии.

Сам Эйнштейн в газете Pittsburgh Post-Gazette от 29 декабря 1934 года утверждал: нет никаких признаков того, что когда-нибудь удастся использовать ядерную энергию. Так что скептики в хорошей компании.

Однако же, согласно моему любимому афоризму Карла Сагана на эту тему, наука – это союз скепсиса и способности удивляться. Можно добавить, что опасно отметать второе в угоду первому. Именно это произошло в науке с нейрогенезом взрослых. Правда, нужно признать, что здесь пересмотреть имевшиеся взгляды требовалось очень серьезно, так что, с точки зрения следующих поколений, приходилось проявлять осторожность.

Илл. 6. Революционные изобретения и достижения науки сами формируют свой рынок и неузнаваемо меняют картину мира. Когда-то мы обходились без новых нервных клеток не хуже, чем без iPhone; сегодня и то и другое нам необходимо

Илл. 7. Знаменитый тезис Томаса Куна о скачках в научном развитии, где в промежутках между немногочисленными крупными «сдвигами парадигмы» предполагаются фазы нормального изучения, нельзя назвать бесспорным; но, по крайней мере, он неплохо иллюстрирует, что происходит, когда большое открытие не вписывается в рамки нормы

Выпустив iPhone, компания Apple создала не просто продукт, а сразу целый рынок продукции для удовлетворения потребностей, о которых раньше никто и не знал, что они существуют; можно сказать, что таким же образом создает свой рынок передовая наука. Она полностью перетряхивает принятый образ мыслей, и мир уже не может оставаться прежним. Это «сдвиг парадигмы» – так назвал подобную революцию в науке Томас Кун. Теперь этот термин уже чрезмерно эксплуатируют, и есть веские основания критиковать теорию Куна, однако мало кто станет оспаривать следующее его наблюдение: развитие науки происходит не равномерно, а скачкообразно, для нее характерен выход за рамки привычного и нормального. Так что бессмысленно (зато, как следствие, очень увлекательно) спорить, представляет ли собой нейрогенез взрослых «настоящий» сдвиг парадигмы или нет. Достаточно ли большая произошла революция? По-моему, да. Другие утверждают, что нет, а я просто предвзято смотрю на вещи, и это естественно для исследователя, который занимается нейрогенезом.

Если взглянуть на ситуацию отстраненно, она все же достаточно ясна: с открытием нейрогенеза взрослых в нейробиологии возникла целая новая исследовательская область, что видно хотя бы из числа публикаций по данной теме. Его влияние уже распространяется на медицину, психологию и педагогику, оно также коренным образом изменяет то, как мы понимаем деятельность мозга. Можно сказать, что мы нарушаем некое табу. Это действительно «революция в голове», а мы – ее инструменты. В теориях о работе мозга нейрогенез взрослых не то что никогда не упоминался – ему просто не было места. В первую очередь, это явление не объясняло ничего такого, что нельзя было бы объяснить иначе. То есть, несмотря на данные, полученные на канарейках, оно выглядело избыточным, даже если считать, что в целом оно существует и что все это не просто мираж. Порочный круг: если у явления нет функции, зачем оно вообще нужно? Нефункциональные свойства и бессмысленные функции действительно испытывают большое давление со стороны эволюционного процесса. В эволюции ценятся преимущества, а все избыточное быстро превращается в недостаток, потому что оттягивает ресурсы и препятствует истинному прогрессу. Только, конечно, верно и обратное: если что-то существует, значит, у него есть функция, и оно будет захватывать «рынок». Эта логика очень убедительна и часто содержит зерно истины, но все же не всегда верна.

Ньютоновская механика прекрасно трактует мир, доступный нам в восприятии. В быту, чтобы описать свои представления, нам не требуется практически ничего, что бы выходило за ее пределы. Проблемы и противоречия, причем уже далекие от наглядности, возникают только в пограничных областях и в ответ на сложные вопросы. Например, можно увидеть мир иначе, если двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Теория относительности и квантовая теория не аннулируют достижения ньютоновской механики – последняя становится частным случаем их обобщений.

Сравнение, конечно, претенциозное, но как физика до Эйнштейна и Планка, так и нейробиология до Альтмана прекрасно обходилась без нейрогенеза. Чтобы объяснить множество фундаментальных явлений нейробиологии, достаточно синаптической пластичности (и пластичности отростков нейронов). Возможно, однажды мы столкнулись бы с вопросом об адаптации функций гиппокампа к условиям существования индивида, на который она уже не позволила бы ответить, и пришлось бы искать недостающий механизм. Тогда, наверное, ученые обнаружили бы нейрогенез взрослых и неожиданно увидели, сколь многое можно истолковать с его помощью. Такое нередко случалось с физиками, которые изучали элементарные частицы и, например, сумели предсказать существование бозона Хиггса на основе расчетов, а когда новая частица была открыта, использовали это в подтверждение своей теории. В случае с нейрогенезом взрослых получилось наоборот. Ученые неожиданно столкнулись с механизмом, который не вписывался ни в одну функциональную теорию и был как минимум избыточным, а то и вовсе контрпродуктивным. У них был ответ, им приходилось искать вопрос к нему. Такой крутой поворот совершить было трудно, это заняло десятки лет, примерно с 1965 до 2005 года. Наука имела дело с явлением, для которого нужно было найти смыслообразующую функцию.

От нейроанатомии к молекулярной биологии

Величайшим нейроанатомом всех времен почти бесспорно считается испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852–1934); пожалуй, для нейробиологии он то же, что Сезанн для современной живописи. Он сыграл роль отца-основателя при переходе к современной науке, пользуется гигантским влиянием, его работы имеют широчайший охват и образуют фундамент многих исследовательских областей, а последователи ссылались и до сих пор ссылаются на них в самых разных ситуациях. Сегодня, читая труды Рамон-и-Кахаля, не устаешь удивляться, сколько он уже тогда знал или, по крайней мере, обоснованно предполагал. При этом в его распоряжении по сравнению с нынешним техническим арсеналом были лишь самые примитивные методы. Он рассматривал окрашенные препараты под микроскопом, делал прекрасные зарисовки увиденного, при этом демонстрировал незаурядную способность к абстрактному мышлению. Он легко выделял главное и обладал даром находить следы развития и динамики в статичной картине своих препаратов. По косвенным данным, которые он сумел получить, ему удалось сделать удивительно точные выводы о взаимосвязях.

В XIX веке между учеными еще встречалась полемика, можно сказать, личного характера, какой сегодня, к счастью, уже не бывает. О вражде – иначе это не назовешь – между Кахалем и его противником, также очень крупным итальянским ученым Камилло Гольджи, ходят легенды. Вначале Гольджи шел впереди. Он разработал метод окраски, с помощью которого можно чудесным образом выделить отдельные нейроны из толщи препарата мозговой ткани, благодаря чему ученые не только узнали об их существовании, но и получили представление об их многообразии и протяженности. Если рассматривать мозг, не окрашивая клетки, кажется, что структура в нем почти отсутствует, поэтому вплоть до эпохи Просвещения его представляли себе как что-то похожее на губку. Структуру мозга удалось выявить только с помощью красителей, которые наносятся на тончайшие срезы. Тогда, в XIX веке, люди стали догадываться о том, как сложно он устроен (см. рис. 7 на вклейке).

Илл. 8. Испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль считается отцом современной науки о мозге, в первую очередь нейроанатомии. Он мог исследовать лишь моментальные срезы под микроскопом, но уже задавался вопросом о пластичности (которая тогда еще так не называлась): способен ли мозг изменять форму или же все в нем стабильно?

Почему при импрегнации[16] серебром по методу Гольджи окрашиваются лишь некоторые отдельные клетки, а остальные – нет, по-прежнему до конца не ясно. В результате получаются картинки исключительной красоты и четкости. Они позволяют с помощью микроскопа подробно описать тонкую структуру нейронов. Пришла эпоха картографирования мозга. Вооружившись препаратами толщиной в несколько микрометров (тысячных долей миллиметра)[17], окрашенными по методу Гольджи или другому из распространенных в те времена методов, отцы нейробиологии взялись за описание микроструктуры мозга, стремясь дать имена ее элементам и разложить ее на осмысленные единицы. Вначале нужно было идентифицировать основные типы клеток: нейроны и все остальные. «Другие клетки» исходно обозначали просто как «нервный клей», заполняющий пустоты между нейронами, которые так четко выделяются благодаря окрашиванию Гольджи. Это выражение придумал великий немецкий патолог Рудольф Вирхов. От греческого слова «глия», означающего клей, происходит термин, которым и сегодня называют клетки мозга, отличные от нейронов (тот же корень мы видим в английском «glue», см. рис. 8 на вклейке){19}.

Илл. 9. Итальянец Камилло Гольджи был крупным противником Сантьяго Рамон-и-Кахаля

Тут уже Кахаль обошел своего конкурента. Несмотря на испанский темперамент, он был гораздо более терпеливым наблюдателем и обладал более богатым воображением. Кроме того, представьте себе, какая это невероятная работа – из отдельных статических картин, которые дают такие срезы, делать выводы об отношениях и взаимодействии единиц в объемном пространстве и даже об их развитии. Это Рамон-и-Кахалю отлично удалось. Он описывает грубую и тонкую структуру мозга (включая гиппокамп) в массе масштабных работ, каждая из которых снабжена превосходными цветными рисунками, подготовленными за микроскопом, и подробность этих описаний продолжает поражать и сегодня. Он использовал всего лишь несколько примитивных методов окраски, зато обладал острым глазом и способностью ясно видеть взаимосвязи, в результате чего составленные им карты по-прежнему пригодны к использованию, а современные исследователи все еще с симпатией и благодарностью нередко включают их в свои публикации как историческую реминисценцию или отсылку.

Илл. 10. Среди прочего Кахаль уже с большой точностью описал гиппокамп и его структуру связей. Небольшая область в форме буквы «C», глядящей вниз, справа в середине рисунка – это зубчатая извилина, в которой протекает нейрогенез взрослых

При всем своем величии, Кахаль был не один: вклад Гольджи также неоспорим. Некоторые из своих важнейших открытий Кахаль не в последнюю очередь совершил благодаря окрашиванию Гольджи. В 1906 году они оба вместе заслуженно получили Нобелевскую премию. Но это награждение не сблизило ученых.

Конечно же, помимо этих двух небожителей, было множество классиков-нейроанатомов, которые внесли значительный вклад в описание мозга. Эру больших открытий и картографии, по крайней мере в области классической анатомии, замыкают великий немецкий нейроанатом Оскар Фогт и его ученик Корбиниан Бродман, предложивший деление коры головного мозга на функциональные зоны, которое и сегодня во многом считается верным и широко используется. Возможно, Фогт понимал, что с ним уходит эпоха. В основанном им Институте исследований мозга имени кайзера Вильгельма в Берлин-Бухе, крупнейшем в мире исследовательском институте до создания Национальных институтов здравоохранения под Вашингтоном в 1948 году, у Фогта уже было отделение, где занимались генетикой. В названии отделения это отражено не было, потому что работавший здесь молодой ученый по имени Макс Дельбрюк еще только делал первые шаги к созданию этой области в ее современном виде.

Размышления последнего вылились в легендарную работу тройного авторства, вышедшую 1935 году, где он совместно с Николаем Тимофеевым-Ресовским и физиком Карлом Гюнтером Циммером описал гены как молекулы{20}. Таким образом, современная молекулярная биология берет начало в институте «последнего анатома» Оскара Фогта – которого нацисты сослали в Шварцвальд, тогда как Дельбрюку пришлось уехать от них в Калифорнийский технологический институт в Пасадене. За новаторские работы по генетике Макс Дельбрюк в 1969 году получил Нобелевскую премию. В своем нынешнем виде преемник Института исследований мозга Фогта носит имя Дельбрюка: это Центр молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка (MDC) в Берлин-Бухе.

Примечателен этот переход от чисто описательной науки к молекулярной биологии. Классическая нейроанатомия как передовая область себя исчерпала. Настала эпоха молекулярных исследований. За Дельбрюком последовали Уотсон и Крик, открывшие структуру ДНК, и Маршалл Ниренберг, который разгадал генетический код.

Как мы помним, впервые нейрогенез взрослых удалось обнаружить, пометив генетический материал. Мы еще обсудим это подробнее, но стволовые клетки отличаются особыми молекулярными свойствами. Здесь «молекулярный» значит имеющий отношение к молекуле ДНК, носителю генетической информации, или РНК – молекуле-посреднику между генетической информацией и ее реализацией в клетке. Молекулярная биология – биология генетической информации. Итак, в 80-х годах XX века круг замкнулся. Появилась молекулярная нейроанатомия, стали возможны новые научные достижения, можно было составлять новые карты. Открытие стволовых клеток мозга в 1992 и 1995 годах подготовило почву для серьезного исследования нейрогенеза взрослых.

Все может умереть, ничто не может регенерировать

Рамон-и-Кахаль в 1928 году вынес пессимистичный вердикт: «В мозге взрослого человека нервные пути – это нечто фиксированное, неизменное. Все может умереть, ничто не может регенерировать»{21}.

Эту фразу часто цитируют и говорят, что от нее пошла догма «нервные клетки не восстанавливаются», согласно которой в мозге взрослого принципиально не может быть новых нейронов. Цитату так часто приводят во введении к статьям по нейрогенезу взрослых, что она уже навязла в зубах.

При этом как отец-основатель области, сам Рамон-и-Кахаль, находился вовсе не в тех условиях, чтобы изрекать догмы. Догмы – это положения, итоговые постулаты, их формулируют, когда все аргументы уже прозвучали. Здесь ситуация была иной; «нервные клетки не восстанавливаются» – не аксиома и не теория. Скорее это миф. Рамон-и-Кахаль едва ли вкладывал в приведенное выше высказывание тот смысл, с которым его подхватили, стали цитировать и превратили в закон. Ведь он сам продолжает свое рассуждение следующим образом (эту фразу цитируют уже гораздо реже): «Дело науки будущего – попытаться изменить этот суровый приговор».

Кроме того, в другой раз Рамон-и-Кахаль выразился гораздо оптимистичнее. В 1894 году он говорил в Крунианской лекции перед Лондонским королевским обществом (прочитать которую – очень престижно): «В противовес теории сетей существует теория о свободном ветвлении клеточных отростков, предрасположенных к самосовершенствованию, что, с одной стороны, более вероятно, а с другой – обнадеживающе. Сеть формируется заранее и остается неизменной, подобно телеграфной сети, в которой нельзя создать ни новые станции, ни новые связи; это нечто застывшее, постоянное, не поддающееся изменению; это противоречит нашему всеобщему ощущению, что для органа мысли в известных пределах характерна пластичность и способность совершенствоваться, особенно на этапе развития, в результате целенаправленной умственной гимнастики. [Кора головного мозга…] подобна саду, где растет бессчетное количество деревьев – пирамидальных клеток, которые, если их умело взращивать, способны приумножать количество своих отростков, углубляться корнями, чтобы дать еще больше разнообразных плодов и цветков»{22}.

На самом деле без всяких догм и нейробиологов-патриархов было видно, что мозг взрослых не проявляет почти никаких признаков регенерации и роста новых нервных клеток по сравнению с кровью, кожей, печенью и костной тканью. В мозге можно было найти новые клетки, но не новые нейроны. Глиальные клетки вовсю разрастаются, это уже давно было известно. А новых нервных клеток не встречалось. Ученые сделали ложный вывод: просто потому, что никто не видел новых нейронов, сочли, что их не существует; или хуже: что по этой причине они и вовсе не могут существовать.

«Возможно, это правда, но это не важно»

Позиция «этого не может быть, потому что этого не может быть никогда» имеет еще одно проявление. Как мы увидим, нейрогенез в гиппокампе имеет значение для функций обучения и памяти. Однако новые нейроны, которые формируются в базовой структуре для таких критически важных функций, представляют собой заметное вмешательство в ее строение. В то же время объяснение функции строят, исходя из структуры. По партитуре можно прочесть симфонию, по строительному плану представить себе дом, а из формы древних инструментов (наверное) сделать вывод об их назначении. Структура гиппокампа всегда была примечательна своей кажущейся ясностью. Ученым относительно рано удалось основательно изучить ее, зато при этом они проглядели то, что, вообще говоря, следует признать фактом: одно из важнейших соединений[18], которое мы можем обнаружить в нейронной сети гиппокампа, способно усиливаться за счет включения новых нервных клеток. Если же это явление протекает в зависимости от деятельности гиппокампа, это не может не повлиять на теории о его функции. Учитывая, что нейробиологическая теория обучения основана на синаптической пластичности, едва ли можно утверждать, что нейрогенез взрослых, в результате которого в сети замещаются и добавляются сразу целые узлы, не имеет значения. Проблема, однако, состоит в том, что новые нейроны реализуют пластичность совершенно иного рода, чем простая изменчивость синаптических связей между нервными клетками. Одним из главных скептиков был большой американский ученый Ларри Сквайр из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD), который часто заявлял на конференциях, что считает нейрогенез взрослых явлением незначительным. Однако его уговорили поставить совместный опыт, чтобы показать, что целенаправленное подавление нейрогенеза взрослых в гиппокампе не будет иметь никаких функциональных последствий. По крайней мере, вероятно, такова была его гипотеза, тогда как его коллега по исследованию Фред Гейдж вместе со своими сотрудниками из соседнего Института Солка замышлял как раз обратное. Совместно начатый эксперимент подтвердил правоту Гейджа{23}.

В результате этой «исторической победы» нейрогенезу взрослых все же не удалось автоматически занять центральное место в нейробиологических теориях обучения. В конечном счете на протяжении десятилетий ученые отлично обходились без этой конкретной формы пластичности. Она, в общем-то, была не нужна. Теории о функциях обучения и памяти удавалось строить и без участия новых нервных клеток, и даже если нейрогенез взрослых действительно существовал, это, по-видимому, никак не сказывалось на способности старых теорий объяснить соответствующие явления. Выглядело так, как будто понятие новых нейронов ничего не меняет, потому что не объясняет ничего, что не удавалось объяснить (хотя бы примерно) ранее. Встречались исследования, подобные тому, что провел Фред Гейдж и его коллеги, но они существовали на фоне колоссального числа научных работ с обратными, противоречащими им результатами.

Однако, как я уже говорил, все это похоже на историю с ньютоновской механикой и физикой Эйнштейна и Планка. Сам по себе нейрогенез взрослых, конечно, совершенно нагляден и, если угодно, имеет вполне «ньютоновский» характер, но мозг таит в себе еще достаточно неожиданных, менее наглядных явлений, так что не стоит довольствоваться этим впечатлением. Нейрогенез взрослых нанес значительный удар по устоявшимся взглядам, и тот факт, что все шло хорошо и без него, совершенно ничего не значит. Настоящие бездны нам только предстоят. Похоже, принять данное понятие – это еще самая простая задача, но и она многим далась с трудом. Ведь для этого пришлось распрощаться со всем привычным и признать, что к началу XXI века нейронаука оказалась изучена так же мало, как физика в XIX.

Повторное открытие нейрогенеза взрослых

В 70-е годы XX века вслед за Альтманом нейрогенез взрослых пытался изучать еще один ученый, к которому больше никто не примкнул; в смысле принятия тезисов его постигла примерно та же судьба, что и Альтмана. Майкл Каплан использовал в своих работах электронную микроскопию, чтобы хотя бы ответить на полудискуссионный вопрос о том, действительно ли новые клетки были нейронами. В электронном микроскопе вместо луча света используется электронный луч. Разрешение (то есть способность действительно отображать две соседние, но различные точки как отдельные) в случае оптического микроскопа ограничено длиной волны света. Сегодня эти ограничения, которые нам диктует физика, удалось практически до невозможного расширить при помощи разнообразных трюков с электроникой и оптикой, но первоначально именно переход от светового луча к электронному позволил получить разрешение другого порядка. Стало возможно заглянуть внутрь клетки.

На электронно-микроскопическом уровне уже в 1977 году можно было более надежно отличить нейроны, чем с помощью оптического микроскопа. Каплан подтвердил работы Альтмана на гиппокампе, но самое главное, что он провел новаторские исследования нейрогенеза взрослых в обонятельной луковице – первым это явление также описал Альтман, но только благодаря Каплану оно оказалось в центре внимания и вызвало больший интерес{24}.

Несомненно, Каплан был одним из пионеров в исследовании нейрогенеза взрослых, но так и остался номером два, и в конечном итоге результаты, которых он добился, были недостаточно велики, чтобы существенно изменить восприятие данной темы и обеспечить ему блестящую карьеру. Каплан, как и Альтман, остался обижен тем, что ни его усилия, ни сам нейрогенез взрослых не оценили по заслугам. Уже в 2001 году он опубликовал в именитом научном журнале по нейробиологии статью, где осветил свой вклад и выразил разочарование{25}. Сегодня его достижения неоспоримы, но представляют скорее исторический, чем научный интерес. Ему также не пошло на пользу то, что он увлекся попытками подтвердить нейрогенез взрослых в зрительной коре, где, как мы теперь знаем, его нет.

Следующим после Каплана был Фернандо Ноттебом с канарейками, с которых я начал свой рассказ. Благодаря этому ученому о нейрогенезе взрослых узнала широкая общественность. Но не все увидели связь между его данными и сообщениями, сделанными Альтманом в 60-х, поэтому более существенная взаимозависимость, о которой на тот момент можно было только догадываться, осталась скрытой от широких кругов.

Однако Ноттебом и его коллеги не ограничивались полумерами. Они осветили явление нейрогенеза взрослых уже очень широко и подробно. Возник целый маленький мир, и едва ли какие-то вопросы остались в нем без ответа. Несколько неясно было, откуда, собственно, берутся новые нейроны. Ноттебом тоже мог лишь предполагать, что в мозге взрослых особей должно существовать нечто похожее на стволовые клетки, из которых они могли бы формироваться на протяжении жизни. Но, что касается регуляции всего процесса в целом, тут он и его коллеги выдавали результат за результатом. Мы еще вернемся к этому позже.

Часто говорят, что работы Ноттебома всколыхнули интерес к нейрогенезу взрослых и у млекопитающих тоже, но это не так. Во-первых, была опубликована лишь еще одна совершенно необыкновенная статья, вышедшая в 1988 году, – изумительный шедевр двух ученых, которые ни до, ни после того, по-видимому, активно нейрогенезом не занимались (по крайней мере, в открытую){26}. Во-вторых, неизвестно, вдохновили ли их на это певчие птицы Ноттебома. Они вновь обратились к нейрогенезу в гиппокампе взрослых крыс и поставили важный вопрос: образуют ли новые клетки систематически сеть с другими нейронами. Насколько этот вопрос лежит на поверхности, настолько же трудно на него ответить. Но гиппокамп – это особый случай, поскольку отростки нервных клеток зубчатой извилины – той его области, где находятся новые нейроны, – идут в один-единственный соседний участок (который носит несколько загадочное название CA3[19]). Конечно, это облегчает поиск связей, и вопрос, таким образом, можно было свести к тому, идут ли в этот же участок отростки (аксоны) вновь образованных клеток.

Если сильно упростить, ученые Стэнфилд и Трайс ввели в область CA3 крошечное количество красящего вещества. У красителей этого вида есть очень удобное свойство: отростки нейронов поглощают его и транспортируют в «ретроградном» направлении, то есть назад к телу клетки. Через некоторое время тело клетки, аксон которой простирается в область, насыщенную красителем, тоже окрасилось бы, несмотря на то что оно находится в зубчатой извилине, а краситель был введен в CA3.

Теперь осталось «всего лишь» доказать, что это тело новой нервной клетки, а не старой. Для этого ученые использовали меченный радиоактивным изотопом водорода тимидин. И подумать только: доказательство удалось получить. В гиппокампе взрослых особей аксоны новых нейронов, как и всех остальных зернистых клеток (так называют этот особый тип нейронов) в зубчатой извилине, шли в область CA3. Многочисленные нарекания, согласно которым нейрогенез взрослых представляет собой аномалию, утратили часть силы. Вновь образованные зернистые клетки выглядели совершенно нормально. Это еще немного приблизило ученых к тому, чтобы считать нейрогенез взрослых некоей обычной функцией. Публикации наводили на мысль, что развитие в гиппокампе просто не прекращается. Если задуматься, благодаря работе, которую провели Стэнфилд и Трайс, тема гиппокампального нейрогенеза взрослых должна была занять центральное положение в исследованиях мозговой деятельности. Тем не менее даже их удивительная статья сначала не вызвала никакого резонанса.

Ситуация изменилась в начале 90-х годов, когда Рейнольдс и Вейс впервые описали стволовые клетки в мозге взрослой особи{27} (см. рис. 9 на вклейке). Они лишь немного опередили Гейджа и его коллег с их описанием клеток-предшественниц в гиппокампе. Это был решающий шаг к признанию исследований нейрогенеза взрослых, хотя у открытия были еще более фундаментальные, далеко идущие следствия. Эффект был ошеломительным, и описание стволовых клеток в мозге взрослой особи сыграло главную роль в «революции», которую стволовые клетки произвели в 90-е годы.

Третье и в известном смысле окончательное переоткрытие нейрогенеза взрослых в гиппокампе (после тех, которые уже совершили Каплан, Стэнфилд и Трайс), надо сказать, пришло с абсолютно иной и неожиданной стороны. По времени оно совпало с работами Рейнольдса и Вейса, но было никак не связано с ними.

В Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке, там же, где работал Фернандо Ноттебом, известнейший ученый по имени Брюс Мак-Ивен уже много лет исследовал влияние стресса на мозг. Одним из главных выводов его новаторских работ по этой теме было то, что гормон стресса кортизол (или кортикостерон у мышей и крыс) непосредственно повреждает нервные клетки гиппокампа, а именно клетки в области CA1. Распространено мнение, что область CA1 имеет особое значение для формирования воспоминаний; два других участка[20] скорее служат поставщиками информации и предварительно обрабатывают ее. В связи с этим постдокторант из группы Брюса Мак-Ивена, Элизабет (или Лиз) Гульд, и аспирантка Хизер Кэмерон заинтересовались, какое отношение данное явление имеет к нейрогенезу взрослых, описанному Альтманом и Капланом. Может быть, новые нейроны способны компенсировать гибель клеток в результате слишком высокого уровня гормона стресса? Для начала они опубликовали статью, в которой подтвердили классический результат современными методами{28}. К тому времени появились способы специфической окраски нейронов, что позволяло однозначно отличить их от других клеток. Потенциальное возражение о том, что, возможно, мы имеем дело вовсе не с нейронами, которое, собственно, уже ослабили Каплан, Стэнфилд и Трайс, удалось опровергнуть окончательно. Теперь был доступен значительно более простой метод, чем электронная микроскопия и «ретроградная маркировка», – ведь и то и другое очень сложно. Сегодня антитела к выявляемым молекулам с целью маркировать клетки и идентифицировать их (это называется иммуногистохимия) используют уже в повседневной практике. В сочетании с тимидиновой меткой это трудно, но не слишком (см. рис. 9 на вклейке).

Однако самыми важными оказались последующие работы, где вышеупомянутые ученые продемонстрировали, что стресс препятствует нейрогенезу взрослых или снижает его. Таким образом, здесь не могло быть речи о восполнении потерь. Даже наоборот. Благодаря этим данным идея нейрогенеза взрослых стала еще ближе к жизни. Аргументация была выстроена нетривиальным образом, но, по-видимому, подействовала сильно: исследователи впервые показали пример регуляции нейрогенеза взрослых, пусть и отрицательной. Позже эта взаимосвязь между стрессом и нейрогенезом оказалась чрезвычайно сложной. Но если упрощать, то отрицательные стимулы тормозят нейрогенез взрослых, а положительные его усиливают.

Тогда же, когда проводила свои исследования Гульд, один из сотрудников Фернандо Ноттебома, Артуро Альварес-Буйлья, который к тому времени уже успел опубликовать множество важных статей о нейрогенезе у певчих птиц, а теперь работает в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, заинтересовался нейрогенезом у млекопитающих. Альварес-Буйлья применил колоссальные данные, полученные рабочей группой Ноттебома на птицах, к мозгу млекопитающих, но при этом рассматривал не гиппокамп, а другую область, в которой описывал нейрогенез взрослых Альтман, а затем и Каплан: обонятельную луковицу. С этим отделом центральной нервной системы соединены обонятельные рецепторы слизистой оболочки носа.

Первое описание нейрогенеза взрослых такого рода Альтман опубликовал в 1969 году, и вначале оно не вызвало особого резонанса. Майкл Каплан впоследствии получил известность главным образом благодаря своим подробнейшим исследованиям нейрогенеза взрослых в обонятельной луковице. Здесь он тоже использовал электронную микроскопию.

Эта форма нейрогенеза взрослых отличается тем, что клетки-предшественницы, из которых формируются новые нейроны, располагаются очень далеко от обонятельной луковицы. Они находятся в стенках наполненных жидкостью полостей мозга – желудочков, именно здесь их впервые и описали Рейнольдс и Вейс. Дочерним клеткам таких стволовых клеток приходится пройти большое расстояние до обонятельной луковицы, где они затем окончательно превращаются в нейроны. В одной из своих первых работ Карлос Лоис и Артуро Альварес-Буйлья выяснили, что при этом миграция новых клеток протекает совершенно иначе, чем продолжительные перемещения нейронов, которые мы наблюдаем в процессе развития мозга{29}. Ее можно изобразить как игру в чехарду, где клетки по очереди помогают друг другу делать каждый следующий шаг. При этом мигрирующие нейроны образуют маленькие цепочки, будто крошечные караванчики на пути к носу.

Илл. 11. Артуро Альварес-Буйлья провел очень широкие исследования и невероятно подробно описал нейрогенез взрослых в субвентрикулярной зоне и обонятельной луковице. В 2011 году за свои работы он вместе с Джозефом Альтманом (и Джакомо Риццолатти, который открыл зеркальные нейроны) получил престижную премию принца Астурийского

Изучая новую тему, Альварес-Буйлья проявил то же внимание к деталям, что и в своих ранних трудах о птичьем мозге, и его работы последующих лет сложились в исследование, которое по сей день остается чрезвычайно масштабным и в котором уделено внимание практически всем аспектам описания, в том числе и «цепной миграции» нейронов.

К сожалению, из работ Альвареса-Буйльи мы также знаем, что эта форма нейрогенеза почти или даже совсем не встречается у человека, хотя в стенках желудочков мозга у нас тоже до старости сохраняются клетки-предшественницы{30}. Позже Йонас Фрисен подтвердил это своим сенсационным радиоуглеродным методом{31}. Конечно, ситуация вызывает вопросы. Зачем нам стволовые клетки, если из них вообще не формируются новые нейроны? Может быть, у них есть еще какие-то функции?

Хотя нейрогенез в обонятельной луковице человека не слишком бередил фантазию ученых, – ведь у нас очень слабый нюх, в отличие от грызунов и собак, которые постоянно работают носом и наверняка иначе расставили бы приоритеты в программе исследований, – само по себе открытие стволовых клеток в стенках желудочков имело большой эффект. Дело в том, что в материнской утробе именно из них развивается весь мозг. А по окончании развития, во взрослом возрасте, со стенкой желудочка граничат такие области мозга, где «новые нервные клетки» были бы очень кстати в случае разнообразных болезней, например при определенных видах инсульта. Группа ученых во главе с Олле Линдвалем и Заалом Кокайя из Лундского университета на юге Швеции посвятила свою работу этой форме «восстановительного нейрогенеза». Мы вернемся к этому в последней главе.

Однако совершенно независимо от медицинского применения, для науки нейрогенез в стенках желудочков представляет большой интерес. Дело в том, что там, где их возможности ограничены, ученые охотно используют в качестве модели доступные для исследования явления. Активное поведение стволовых клеток в стенках желудочков позволяет делать выводы о важных механизмах развития. В этой зоне, которую ученые называют субвентрикулярной или обозначают сокращением SVZ, стволовые клетки намного более активны, чем в гиппокампе, и, кроме того, их деятельность принципиально иная. Иногда больше всего информации кроется в различиях.

Фред Гейдж: нейрогенез взрослых находит свое место

Многие считают Фреда Гейджа (по прозвищу Расти – ржавый)[21] отцом современных исследований нейрогенеза. Точно так же, как и Альтман, по образованию Гейдж психолог-исследователь. Но сначала он стал известен благодаря работам по трансплантации клеток мозга. Эта тема была популярна в 80-е годы, задолго до того, как разгорелась эйфория вокруг стволовых клеток. Нейротрансплантация была благодатной областью, но, с другой стороны, одновременно несла в себе большое разочарование. Нервные клетки с трудом поддаются пересадке и плохо приживаются. Собственно, прижиться могут только незрелые нейроны. Но где их взять? Вопрос об источнике пригодных для пересадки клеток побудил ученых искать стволовые клетки, из которых их можно было бы культивировать[22]. В этих условиях с данной темой начали работать коллеги Гейджа – Ясодхара Рэй и Тео Палмер, которые в конце концов добились успеха. Вскоре после того, как обнаружили такие клетки, стало понятно, что возможность использовать их для пересадки – самое незначительное следствие этого открытия. Дело в том, что с нейротрансплантацией связаны и другие, слишком большие препятствия, даже когда незрелых нейронов можно получить достаточно много. Зато стволовые клетки позволяли объяснить нейрогенез взрослых и взглянуть на мозг совершенно иначе: его развитие никогда не прекращается, раз и во взрослом, и в старом мозге еще есть стволовые клетки, способные к образованию новых нейронов. Гейдж был одним из первых, кто это понял, и точно первым, кто стал развивать и разрабатывать эти данные.

Илл. 12. Фред Гейдж, вероятно, самый разносторонний из исследователей нейрогенеза. Хотя открытие нейрогенеза взрослых ему не принадлежит (вопреки расхожему мнению), он осуществил «большой синтез», сумев связать воедино открытие стволовых клеток и образования новых клеток в мозге взрослых

В 2000 году Гейдж опубликовал в журнале Science статью, которая стала своего рода Великой хартией в данной области исследований – до сих пор она остается одной из самых часто цитируемых работ по стволовым клеткам{32}. Но одно дело – теоретическое прозрение, а другое – последующие исследования, которыми его нужно подкрепить. Тем не менее именно это Гейджу и его коллегам удалось во всей широте и глубине. Сюда входят работы, которые мы рассмотрим позже, а также сложнейшие исследования, посвященные деталям нейрогенеза взрослых, в первую очередь касающиеся механизмов его регуляции, связей, в которые вступают новые клетки, и их функции. На многих это «портфолио» производит почти пугающее впечатление, а иным конкурентам может показаться, что они попали в сказку «Заяц и ёж»[23]: куда ни прибежишь, Гейдж здесь уже был.

Среди прочих качеств по-настоящему хорошему ученому должно быть свойственно «фланговое движение», как назвал это Кай Симонс. Крупные открытия быстро притягивают к себе широкие массы исследователей. Это прекрасно видно и по развитию научных публикаций о нейрогенезе взрослых. В области неизбежно становится тесно. Даже если поле для исследований бесконечно велико, наделы на нем становятся все меньше. В процессе познания проявляется то, что экономисты называют убывающей доходностью. Дополнительная прибыль от каждого следующего вложенного евро сокращается и сокращается. Противопоставить этому ученые (впрочем, как и люди искусства) могут только одно – оригинальность. Но как? Приходится избегать прямых путей, и лучше всего это получается, если быть открытым к развитию в других областях. Однако, чтобы вести такую работу на стыке дисциплин, придется сойти с прямой широкой дороги «нормальных исследований» с их логичными цепочками научных вопросов и заполнением пробелов.

Исследователи, подобные Гейджу, интуитивно понимают, что только так и можно обеспечить себе постоянный повод удивляться и в итоге избежать творческого кризиса и кризиса самоидентификации. Для многих, но, что интересно, далеко не для всех ученых источник интеллектуальных задач и удовлетворения кроется в нестандартном мышлении и поиске неожиданных связей между данными, которые до сих пор считались разрозненными. Гейдж может служить образцом такого ученого, а возникшая у него ассоциация между стволовыми клетками и нейрогенезом взрослых была лишь первым из подобных его построений. Мы уже упоминали его совместную работу с «неверующим» исследователем памяти Ларри Сквайром, который не желал признавать эту связь. Другие ученые находят наибольшее удовлетворение в деталях и исчерпывающей проработке закрытой системы. Это, можно сказать, естествознание как юриспруденция. Но благодаря развитию исследователями связей, идущих за пределы собственного узкого исследовательского поля, сформировались условия для того, чтобы нейрогенез взрослых перестал быть башней из слоновой кости.

Быть еретиком-аутсайдером здраво, но утомительно. Такие мыслители, как Сет Годин, считают это состояние двигателем прогресса, тем более сейчас, когда благодаря интернету исчезают традиционные закрытые хранилища знаний, а старые формы организации и, следовательно, мысли устарели. Но когда прежде еретические теории находят широкое признание, нужно быть очень бдительным, чтобы, неожиданно став приверженцем «истинной веры», сохранить достаточно неортодоксальное, нестандартное мышление.

Мастер по связям: Джонас Солк и его институт

С 1995 года Гейдж работает в Институте Солка в Ла-Хойе, к северу от Сан-Диего. Этот институт в 1963 году основал Джонас Солк. Он создал вакцину от полиомиелита и таким образом избавил человечество от заболевания, которое только в Германии ежегодно уносило жизни сотен детей и взрослых, а у выживших вызывало тяжелые осложнения. Прививка от полиомиелита – яркий пример успеха вакцинации.

Если вспомнить тезис Томаса Куна, Солк занимался «нормальной наукой» и скорее упорно выполнял кропотливую рутинную работу, чем совершал революции. Поиски вакцины увенчались успехом, а для этого требовалась тонкая стратегическая работа. Но при этом был получен именно тот результат, на который надеялись и которого ожидали, – это не было знание, явившееся с непредвиденной стороны, как гром среди ясного неба. Отсюда можно заключить, что крупные, очень значимые исследования не обязательно ведут к революции. И все же Солк – и это в нем как раз интересно – был революционером.

Солк не занимался исследованиями мозга. Но у нас есть особая причина, чтобы все-таки упомянуть его в истории о нейрогенезе взрослых. После большого открытия, которое совершил ученый, его карьера пошла по очень необычному пути.

Пероральную вакцину от полиомиелита («Детский паралич – это горько, а вакцина – сладко»)[24], с детства знакомую многим в Европе, придумал вовсе не Джонас Солк – ее в 1957 году ввел Альберт Сейбин из Института Пастера в Париже. Но слава в итоге в первую очередь досталась Солку, и во многом заслуженно. Не только потому, что он нашел самую первую вакцину, но и потому, что Солк был чрезвычайно харизматичным человеком и вел себя с достоинством и скромностью, которые только укрепили его репутацию гения. Он не стал патентовать вакцину, поскольку не хотел получать материальную выгоду от прав на свое открытие. Библейский царь Соломон, не думая о личных благах, просил у Бога мудрости и за свою скромность получил в придачу богатство – Солку тоже сполна воздалось за его деяния (только в этом случае ничего не известно о непосредственном Господнем вмешательстве). Нобелевскую премию ему, правда, не дали; в этой области она в 1954 году уже досталась Джону Франклину Эндерсу, которому первым удалось вырастить вирус полиомиелита в лабораторных условиях и который таким образом проложил дорогу Солку и Сейбину. Только благодаря его изысканиям вообще можно было говорить о разработке вакцины.

Зато Солк получил возможность основать собственный исследовательский институт при щедрой поддержке Национального научного фонда и фонда March of Dimes – в размере целых 20 миллионов долларов.

По настоянию мэра Сан-Диего, Чарльза Дейла, который сам перенес в детстве полиомиелит, Солку был предложен участок земли для института на скалистом берегу Тихого океана в Ла-Хойе, рядом с кампусом Калифорнийского университета, который тогда тоже находился на этапе формирования. Отец города принял мудрое и дальновидное решение: Институт биологических исследований Солка, как он называется сегодня, стал одним из самых успешных биологических исследовательских институтов; здесь постоянно растет собрание биомедицинской аппаратуры, подобных которому нет во всем мире. Когда Солк приехал в Ла-Хойю в 1963 году, ничто еще этого не предвещало. Но можно себе представить, как он стоял на своем удивительном участке высоко над Тихим океаном и чувствовал, что способен построить здесь что-то совершенно особенное. У Солка действительно была необычная задумка. Он хотел не просто организовать место для хороших исследований. Он хотел создать живую, будоражащую ум среду, где собирались бы горящие любопытством единомышленники и где можно было бы достичь в науке такого же успеха, какого достиг он сам.

В первую очередь Солк сыграл в науке большую роль, создавая возможности. Несомненно, он не был убежденным последователем «чистой» науки. Если посмотреть на его долгую карьеру, в некотором смысле его научные результаты не так уж впечатляют. Даже разработка вакцины не была большим интеллектуальным достижением. Согласно едкому замечанию его конкурента Альберта Сейбина, Солку за всю жизнь ни разу не пришла в голову оригинальная идея. Но большое, значимое научное достижение может быть и результатом синтеза. Например, Уотсон и Крик открыли структуру ДНК – двойную спираль, – опираясь на экспериментальные данные других ученых. А Эйнштейн, развивая общую и частную теорию относительности, сам не поставил ни единого эксперимента. Солк тоже в правильное время делал правильные выводы из доступной информации. В любом случае, чтобы закончить разработку вакцины, ему пришлось напряженно поработать в лаборатории. Он знал и всегда помнил, что его собственный успех в значительной степени зиждился на прекрасных условиях Питтсбургского университета, где он проводил свои фундаментальные исследования. И как бы он ни был сосредоточен на своей цели, он также очень интересовался всем, что находилось по обе стороны его дороги.

Солк был разносторонне образованным человеком и имел сильную тягу к искусству. Самым ярким проявлением этого интереса стала его женитьба на художнице Франсуазе Жило в 1970 году. Последняя, к сожалению, известна не столько своими произведениями, сколько тем, что в 40-е годы жила с Пикассо и родила ему двоих детей – Клода и Палому. Освободиться от чар художника было нелегко, но из его многочисленных женщин Франсуазе Жило это удалось лучше всех. Ее брак с Солком продлился до самой смерти ученого.

От своего большого замысла – создать институт, который в равной мере служил бы науке и искусствам, – Солку все же быстро пришлось отказаться. Несмотря на общие исторические корни этих двух сфер и при всем взаимном расположении их представителей, на самом деле трудно представить себе, как можно воплотить в форме института такое нестандартное сочетание. Зато благодаря огромным связям для строительства «своего» здания на берегу Тихого океана ученому удалось заполучить архитектора Луиса Кана. Проект Института Солка принадлежит к числу его главных работ, а изображение институтского двора украшает издания, посвященные как лично Кану, так и в целом архитектуре XX века (см. рис. 10 на вклейке).

Илл. 13. Основатель института Джонас Солк

Двор института выложен светлым травертином и смотрит на Тихий океан. В середине, точно по линии, где в начале весны и осени висит заходящее солнце, тянется канал – затем его воды каскадом падают на террасу ниже. Справа и слева возвышаются стены из бетона и тика, своей неровной формой напоминающие театральную кулису. Сюда выходят рабочие кабинеты руководителей исследовательских групп, а за ними располагаются уже сами лаборатории. Торжественные лаконичные линии навевают ощущение театральности, мистичности; они образуют совершенно невероятное строение, из подобных которому в мире можно найти разве что работы подражателей-единомышленников. Нельзя сказать, что все это сложилось случайно. Но такая земля, гениальный архитектор и щедрый бюджет при тогда еще низкой стоимости строительства… Сошлось несколько очень благоприятных факторов.

Это правильная архитектура в правильном пейзаже. Кану и его заказчику Солку подчинился гений места. С чисто практической точки зрения у здания масса недостатков, его содержание обходится очень дорого, зато его любят ученые, которые трудятся тут; лишь недавно здесь впервые провели дорогостоящий ремонт и внесли некоторые деликатные дополнения. Это яркий пример того, что архитектура может воодушевлять, а место, где вы работаете, подстегивать и питать ваш исследовательский дух. Здесь вдохновение одерживает победу над практичностью.

Гений места

Первый день моей работы в Институте Солка в 1995 году как раз совпал с похоронами его основателя – тот скончался 23 июня 1995 года. Похороны проходили в знаменитом внутреннем дворе, в центре которого несет свои воды «River of life» – река жизни. Перед гостями расстилался простор Тихого океана. Звучало множество речей, но подлинное завещание ушедшего заключалось не в словах. Для меня, молодого ученого, который на самом деле попал сюда благодаря большой удаче, этот эпизод при поступлении в институт был окрашен странной печалью, но при этом нес в себе огромную мотивацию. Солку было восемьдесят лет. Он управлял институтом до конца своих дней. В последние годы работал над вакциной против ВИЧ. Когда я своими глазами увидел эти стены и услышал речи, которые произносили присутствующие, мне подумалось, что Солк был правильным человеком в правильном месте. Так выглядят счастливые жизнь и старость.

Может быть, это просто совпадение, но именно здесь, в самой благотворной и стимулирующей обстановке, какую только может вообразить себе биолог, нам – мне и моему коллеге Гансу Георгу Куну – пришло в голову проверить, как влияет на нейрогенез взрослых обогащенная среда. Я склонен думать, что это не случайность, но, возможно, оглядываясь назад, идеализирую ситуацию. Как хорошо было бы позволить себе поверить в это: может быть, именно то место, где вдохновением гениального ученого была создана идеальная для развития науки обстановка, и навело нас на мысль, что мозг способен изменяться в результате пребывания и активной деятельности в подобной стимулирующей среде, а в данном конкретном случае такой опыт может даже вызвать образование новых нервных клеток.

Обогащенная среда стимулирует нейрогенез взрослых

Мы обнаружили, что мыши, пребывающие в так называемой обогащенной среде (в данном случае не в институте с видом на океан, а всего лишь в более просторной клетке, где было больше таких же животных, игрушек и лабиринтов, которые мы постоянно перестраивали), во взрослом возрасте демонстрировали более активный нейрогенез в гиппокампе (см. рис. 11 на вклейке){33}. С одной стороны, в определенной мере положительный результат дополнял фундаментальное открытие Лиз Гульд, согласно которому стресс снижает нейрогенез, с другой – это было первое робкое свидетельство того, что гиппокампальный нейрогенез взрослых действительно для чего-то нужен и может иметь значение для деятельности мозга. До демонстрации соответствующих функций все еще предстоял долгий путь, но, раз нейрогенез регулируется опытом, это отчетливо указывало на то, что первый может быть полезен для формирования второго. Подобные выводы следует делать с большой осторожностью, но вдохновляться ими не запрещено.

В рамках своего первого проекта в лаборатории Гейджа я хотел и должен был показать, что в гиппокампе мыши вообще есть нейрогенез взрослых. На тот момент это было доказано только для крыс, но крысы большие и дорогие, а их генетика сложнее поддается исследованию. Во многих отношениях мыши – более удачная модель (хотя и не всегда). Но в своих опытах я, тогда еще не понимая этого, допустил некоторые ошибки. Мне казалось, что я в точности воспроизвел метод БДУ, который был не открыт, но доработан Гансом Георгом Куном для широкого применения и который служил нерадиоактивным вариантом методики, использованной Джозефом Альтманом. Поначалу мы обнаружили, что у мышей, по-видимому, нейрогенез взрослых очень ограничен. Собственно, его почти не было. Это нас расстроило.

Помню, как мы сидели в лаборатории и обсуждали, нельзя ли каким-то образом немного усилить слабый нейрогенез. Может быть, у наших мышей просто слишком скучная жизнь, и этот процесс у них как будто спит. В принципе, это была очень зрелая гипотеза, в конечном итоге сыгравшая большую роль, но впервые она прозвучала в порядке послеобеденной болтовни. Ну ладно, подумали мы, тогда предложим нашим мышкам нечто большее и посадим их в более просторные клетки с более увлекательной и разнообразной жизнью. Мы снова использовали метод Куна, чтобы маркировать новые нейроны, но теперь, опять же не понимая этого, все сделали правильно.

Никогда не забуду, как я положил под микроскоп первый обработанный препарат мозговой ткани. Это было совершенно будничное действие. Я только что закончил покраску, и меня давно уже ждали на дне рождения коллеги. Я хотел только быстренько убедиться, что все получилось. Вечеринку я в итоге пропустил, коллегу пришлось поздравить позже. И все это из-за того, что под микроскопом я увидел много-много новых нервных клеток. Так значит, мыши все же способны к нейрогенезу взрослых! Но это было еще не все. Мне быстро стало ясно, что препараты, на которые я смотрел, делятся на две группы: одни демонстрировали высокий уровень нейрогенеза взрослых, а другие – очень высокий.

Чтобы правильно проанализировать такой эксперимент, используют слепой метод. Это значит, что по кодовому номеру на предметном стекле, которое кладут под микроскоп, невозможно понять, что на нем за препарат: ткани мыши, которая жила в обогащенной стимулами среде, или контрольного животного из обычной клетки. Так делают, чтобы исследователь в процессе анализа не мог сознательно или бессознательно принять желаемое за действительное и каким-то образом исказить результаты. Но я еще не подготовил препараты для слепого анализа, потому что просто хотел убедиться на нескольких из них, что окраска в принципе получилась. Мне бросились в глаза незаклеенные подписи на предметных стеклах: у животных из обогащенной среды было больше новых нейронов. Опыт стимулирует нейрогенез взрослых! Это внезапное осознание поразило меня. Нейрогенез взрослых регулируется опытом! Он составляет «какую-то» часть взаимосвязи между структурой и функцией. Что-то похожее на то, что было у птиц Фернандо Ноттебома, но в другом участке мозга, который у мышей (как и у всех млекопитающих, а значит, и у человека) отвечает за обучение и память и играет определенную роль в так называемых высших когнитивных функциях.

Несмотря на радость внезапного и тем более мощного прозрения, мне еще предстояло использовать слепой метод, чтобы правильно обсчитать результаты и представить свои сильные впечатления в виде надежных чисел. Однако разница между двумя группами была настолько очевидной, постоянной и большой, что это действие не принесло новых результатов. Тем не менее оно было необходимо, хотя высокой объективности в сложившихся обстоятельствах противостоял психологический эффект «эврики».

Этот результат мы впоследствии подтвердили множеством экспериментов, где слепой метод корректно применялся с самого начала, и сегодня точно знаем, что предвзятость в этом первом опыте не исказила данных настолько, чтобы это заслуживало упоминания. Препараты из обеих групп просто слишком сильно отличались друг от друга.

В принципе, с тех пор вся моя работа – это попытки разобраться в том первом результате. Что здесь, собственно, произошло? Как образ жизни регулирует развитие нейронов, как это устроено? Но вдохновение, которое я испытал тем летним вечером 1996 года, не оставило меня до сих пор. Восторг не ослабел. Мы тогда не занимались нейрогенезом взрослых, а разрабатывали что-то для практического применения, которое должно было принести материальную выгоду, или пытались совершить прорыв в медицине. Этот поворотный эксперимент родился в результате того, что мы мимоходом, в порядке развлечения высказали некую гипотезу, а она в итоге оказалась куда удачнее всего, что мы до этого тщательно продумывали и планомерно пытались реализовать. А что, если? А что, если обогащенная среда усиливает нейрогенез взрослых?

Для таких сумасшедших экспериментов – особенно с позиций нашего времени – требуется определенная свобода действий.

Наши результаты стояли в ряду других исследований «пластичности» – способности мозга изменять форму, и на тот момент мы были слабо знакомы с литературой по этой теме. Мы первыми выявили зависимую от деятельности пластичность на уровне самих нейронов (а не только соединений между ними), но, чтобы соответствующим образом расширить (или сузить) это понятие, был нужен гораздо более подробный контекст, иначе все это звучало неубедительно. Так вся история могла бы остаться лишь любопытной заметкой на полях.

4

Развитие и пластичность

Френология

Вопрос о том, как устроено мышление, интересовал науку во все времена. Немалая часть философии всегда была посвящена темам, которые мы сегодня в основном относим к психологии. «Феноменологии духа» любого рода всегда были в какой-то степени механистически ориентированы, но лишь с концом XIX века стали появляться исследования, принципы которых можно отнести к нейробиологии или нейронауке в современном смысле (см. рис. 12 на вклейке).

До этого просто слишком мало знали о мозге, чтобы предметно рассматривать его роль в мышлении. Правда, раньше уже существовали представления, подобные тем, что развивал Франц Йозеф Галль, который около 1800 года одним из первых занялся вопросом о взаимосвязи структуры и функции. Естественно, он рассматривал эту проблему на макроуровне – а именно пытался по форме черепа делать выводы о заключенных в нем локализованных мозговых функциях. В определенном смысле идеи Галля были передовыми, он был предшественником (пусть и очень далеким) современной топической диагностики. Исследования он проводил, можно сказать, голыми руками, поскольку еще не мог «наблюдать работу мысли» (этой знаменитой фразой, которую мы уже цитировали, историк науки из Цюриха Михаэль Хагнер охарактеризовал современные методики визуализации мозга). В этом смысле Галль соотносил функции с двадцатью семью «органами», которые, по его утверждению, можно выделить в мозге, в первую очередь на основании собственной фантазии, а не твердых фактов. Но его идеи встретили широкий отклик, и фарфоровые головы, на которых им надписаны функциональные зоны, по сей день остаются популярным символом «науки о мозге». Этому не в последнюю очередь способствовало убеждение Галля, что такие прекрасные функции, как «уважение и признание авторитета», можно идентифицировать и найти их упорядоченное расположение; но не менее важно, что он одним из первых предположил наличие конкретной материальной составляющей в мышлении и другой психической деятельности.

Хотя многие из функций мозга действительно имеют локализацию, обычно она гораздо менее четкая, чем считал Галль. На самом деле у отдельных функций ЦНС, таких как дыхание или речь, есть определенные «центры», но это не значит, что они действуют изолированно. Хагнер критикует «новую френологию» современных методов визуализации, когда с помощью магнитно-резонансной томографии отслеживают «активность мозга» и определяют расположение конкретных функций (или пытаются это сделать), но уже по другим причинам. Кроме того, чем сложнее функция, тем труднее ее локализовать.

Галлева система понятий покоится на весьма статическом видении мозга, но оно далеко не так устарело, как можно было бы судить по фарфоровым головам с блошиных рынков. На протяжении XX века постепенно установилось на данный момент очень распространенное представление о том, что мозг – это что-то вроде компьютера. Хотя компьютер ассоциируется с чрезвычайно динамичной эпохой, глубоко внутри он – устройство с жесткой, прочно смонтированной структурой (по крайней мере, в своем наиболее распространенном кремниевом варианте), чего совсем нельзя сказать о нашем мозге.

Мозг – это не компьютер

Воображая, что мы хотя бы в общих чертах представляем себе устройство компьютера (хотя кто может этим похвастаться?), мы также думаем, что можем разобраться в мозге. Поскольку компьютер создали мы, люди (точнее, небольшая группа представителей нашего вида), очевидно, мы инстинктивно предполагаем, что он должен быть организован по нашему «образу и подобию». По этой причине, когда мы описываем, как функционирует мозг, аналогия с компьютером кажется нам допустимой.

Когда я учился во Фрайбурге, вирусолог Отто Халлер на своих лекциях объяснял нам принцип действия болезнетворного вируса на примере компьютерного, причем проводил двойную аналогию (в обоих направлениях). То, что в таком контексте еще как-то работало, вызывало удивление и было доходчиво, а значит, в целом полезно, в применении к мозгу ведет к «смерти через аналогию». Мозг – это не компьютер в том виде, в котором мы все его знаем и ежедневно используем. Это сразу становится ясно, если представить себе попытку перезагрузить мозг, выполнить цветную печать или сохранить резервную копию. При этом компьютер по-прежнему с трудом справляется с задачей поймать мяч с лету. Вычислительная мощность, которая нужна, чтобы согласовать подготовку к хватательному движению с предварительно рассчитанной траекторией полета, кажется невероятной. Компьютеры также с трудом воспринимают, интерпретируют и даже проявляют эмоции. Возможно, когда-нибудь они смогут и это, но до тех пор, пока их принципиальное устройство не изменится, им придется брать чистой массой и грубым натиском там, где мозг, благодаря совершенно иному принципу действия, справляется без всякого труда и обходится гораздо меньшими затратами (см. рис. 13 на вклейке).

Почти все признают, что мозг все же устроен немного сложнее, чем любой известный компьютер (ведь, в конце концов, все компьютеры – это порождение человеческого мозга), даже если последний обыгрывает чемпионов мира по шахматам и го. Но это скорее вопрос количественный, чем принципиальный. Квантовый компьютер его уже точно решит. Однако такая удобная экстраполяция на самом деле основана на совершенно неверной посылке. Дело не в том, что мозг – это не какой-то компьютер побольше и посложнее; в его основе вообще едва ли есть что-то общее с его кремниевым двоюродным лжебратом. У него совершенно иной базовый принцип, который поэтому не поддается экстраполяции и масштабированию. В конечном счете это имеет решающее значение для понимания сущности мозга и определяет последствия тех ошибок, которые вытекают из неверной аналогии.

В основе компьютера, каким мы его знаем, лежит стандартная архитектура, и сердце ее – ЦП, центральный процессор. «Шина» на короткое или продолжительное время передает информацию в виде двоичного кода между ЦП и различными накопителями. Сегодня существуют компьютеры, в которых параллельно работает более одного процессора. Развитие идет в этом направлении. Но работа мозга целиком состоит из параллельных процессов, и при этом центрального процессора у него вообще нет. Он сам – процессор. И одновременно не процессор. Ведь, хотя мозг и имеет модульную конструкцию, ее смысл не в четком разделении обязанностей. Здесь нет никакого центрального коммутатора.

Но самое главное то, что архитектура компьютера и его микросхем жестко задана заранее. Она не умеет приспосабливаться. В мозге же происходит именно это, и таков важнейший функциональный принцип. Деятельность мозга всегда сопряжена с изменениями его микроструктуры. Сеть связей, которую образуют нейроны, находится в постоянном течении. Нельзя сказать, что может фундаментально изменяться базовая структура мозга, но чем подробнее ее рассматриваешь, тем больше понимаешь, насколько изменчивы связи в ней.

Микроархитектура компьютеров, напротив, не изменяется в результате обучения. В ней нет пластичности. Подобного взаимодействия структуры и формы не происходит. Электрическая схема, в отличие от мозга, не подстраивается под потребности в зависимости от деятельности или ее отсутствия.

Из-за этой фундаментальной разницы компьютер не годится в качестве модели мозга. Невзирая на всю свою мощь, он (как и компьютерные программы) до смешного несовершенен, что постоянно вызывает у нас раздражение; но отсюда все по той же причине не следует делать вывод, что эти ограничения свойственны и мозгу. У мозга свои рамки, опять же часто незнакомые компьютеру. Даже деменция – это не сбой процессора. При болезни и нейродегенеративных заболеваниях по-прежнему сохраняется пластичность. У млекопитающих ее полное отсутствие несовместимо с жизнью. Через аналогию с компьютером множество вопросов о мозге не поддаются объяснению, просто потому, что картина искажена. А новые нервные клетки в нее вообще никак не вписываются. Добрая часть скепсиса, который вызвало понятие нейрогенеза взрослых, связана с тем, что оно не сочетается с определенными представлениями о принципе действия мозга (причем неверными).

Пластичность

В биомедицине «пластичность» – довольно сложное, неоднозначное понятие, поскольку в отдельных научных дисциплинах оно используется совершенно по-разному. Это быстро вызывает путаницу. Данный термин уже несколько раз встречался в нашей книге, и я всегда подчеркивал его многогранность. Но уже давно пора подробнее рассмотреть эту центральную тему.

Здесь (как и во многих областях нейронауки) под пластичностью мы понимаем двустороннее взаимодействие структуры и функции. Итак: функция определяется структурой (как автомобиль, который функциональными свойствами обязан своей конструкции), а структура следует за функцией. Второго, к сожалению, с автомобилем не происходит: если посильнее разогнаться на «трабанте», он сам собой не превратится в «феррари», чтобы лучше справиться с поставленной перед ним задачей. Таким образом, пластичность представляет собой «итеративный процесс»: сигналы обратной связи чередуются с эпизодами приспособления, благодаря чему возможна оптимизация.

«Форма определяется функцией»: эта идея пришла из архитектуры. Американский «отец небоскребов» Луис Салливан, опираясь на более ранние концепции, развивает ее в статье «Высокое офисное здание как произведение искусства» (The tall office building artistically considered) 1896 года (см. рис. 14 на вклейке): «Орел парит в небесах, цветет яблоня, ломовая лошадь тащит груз, скользит по воде лебедь, ветвится дуб, у его подножья вьется ручей, плывут облака, надо всем этим сияет солнце – форма всегда следует за функцией, и это закон. Когда функция неизменна, неизменна и форма». Последнее предложение – решающее, оно указывает на причинно-следственную связь и на возможность преобразований. Автор продолжает: «Этот закон действует везде: для всего органического и неорганического, всего физического и метафизического, всего человеческого и сверхчеловеческого, всех истинных проявлений ума, сердца, души – жизнь всегда можно узнать по ее выражению, форма всегда следует за функцией». Примечательно, что эта вторая часть цитаты принадлежит перу человека, проектировавшего небоскребы. Мы снова видим связь между архитектурой и нейронаукой, но теперь с другим знаком. Это еще не пластичность, но мысль, которая точно отражает ее центральный принцип. Кстати, эта фундаментальная зависимость также лежит в основе идей Баухауса с его эстетикой функционализма.

Помимо этого, у пластичности есть еще одно важное свойство. Она – явление органическое, и ее сущность подразумевает также, что хотя форма следует за функцией, но затем и функция, в свою очередь, следует за формой и так далее. Такое обоюдное взаимодействие – отличительная черта всего живого.

«Пластичность» буквально означает способность принимать разные формы, но это на самом деле почти ни о чем не говорит. Необходимо различать пластичность и эластичность. Эластическая деформация подразумевает возврат к старой форме, пластическая же сохраняется. «Пластика», которую запечатлевает скульптор, довольно-таки устойчива. Скульптуры пробуждаются к жизни только в мифах (и на картине Жана Леона Жерома «Пигмалион и Галатея»). Это замечательный образ.

Пластичность также во многом связана с гибкостью, что не позволяет нам слишком далеко зайти в сравнениях с неодушевленной скульптурной пластикой. Речь идет скорее о непрекращающемся процессе, а не о произведении, которое однажды будет завершено.

Наконец, пластичность – это еще и активный процесс, а не пассивное переживание, каким она часто предстает, когда ее пытаются проиллюстрировать. Пластичность мозга – это не просто одно из его свойств, а основное условие его функционирования. Принцип действия этого органа подразумевает, что в процессе работы он меняется. На протяжении всей жизни мозг подстраивается под задачи, которые стоят перед ним, и, в отличие от компьютера, все время становится лучше. Компьютеры приходится менять каждые пару лет, потому что они отстают от развития окружающего мира и не умеют к нему приспосабливаться.

С другой стороны, пластичность – это еще и модное словечко, которое вставляют к месту и не к месту, когда пытаются объяснить умение приспосабливаться любого рода или привнести биологическую ноту в обсуждение вопросов педагогики или «успешного старения». Использовать пластичность как объяснение для чего бы то ни было можно лишь в том случае, если вы хорошо понимаете, что такое она сама. Это понятие оказывается слишком широким даже в своем более узком нейробиологическом значении, чтобы использовать его как средство глубже разобраться в чем-то. Оно отсылает нас к некоему фундаментальному принципу, не более. Кроме того, не всем еще известно, что принцип этот фундаментальный.

Пластичность необходима для всех функций мозга, которые хотя бы отдаленно можно назвать обучением, а это очень многие из них (но не все). Она обеспечивает изменчивость на уровне микроструктуры мозга, лежащую в основе каждой такой функции. Учиться значит меняться. Любой – абсолютно любой – опыт оставляет в структуре мозга след. Изменение может быть кратковременным или сохраниться на всю оставшуюся жизнь. Запоминание состоит не в отдельных пластических изменениях, а в том, что благодаря пластичности меняются свойства сетей, образованных миллиардами нервных клеток.

Илл. 14. Пробуждающаяся к жизни скульптура на полотне «Пигмалион и Галатея» (художника Жана Леона Жерома) наглядно и очень ярко иллюстрирует понятие пластичности мозга. Здесь показано активное взаимодействие между функцией и структурой. Метрополитен-музей, репродукция

Нейрогенез взрослых – частный случай пластичности мозга, поскольку здесь возникают целые новые нейроны. В других случаях пластичность проявляется в основном на уровне контактов между нервными клетками, через которые те «общаются» друг с другом (синапсы), и напоминающих антенны отростков нейронов, по которым те принимают сигнал (дендриты) или передают его (аксоны). Синапсы очень изменчивы, они постоянно образуются и рассоединяются. Очень велика пластичность нервных отростков в мельчайших разветвлениях; чем ближе мы к ядру нервной клетки, тем положение более стабильно. Как правило, ядро служит точкой опоры (см. рис. 15 на вклейке).

Только не при нейрогенезе взрослых. В этом случае новым будет все: вся нервная клетка, ее тело, отростки и синапсы. Это требует несравненно бóльших затрат, и они должны быть чем-то оправданы. Важный вопрос – чем. Для каких связанных с обучением задач необходима абсолютная пластичность на уровне отростков нервных клеток или синапсов? Ведь мы уже видели, что нейрогенез взрослых у человека встречается практически в одном-единственном месте, которое находится как раз в гиппокампе, а это врата памяти. Эта структура в мозге имеет центральное значение для «высших» функций, включая те, которые мы считаем сугубо человеческими.

Если понимать мозг как сеть, то нейроны – это ее узлы, связи между которыми образуют их отростки с синапсами. Очевидно, когда меняются узлы, связи между ними или и то и другое одновременно, это по-разному отражается на сети. Однако во всех участках мозга представляется возможным добавлять только вторые, но не первые. Ракич и другие ученые утверждали, что это принципиальное условие, поскольку новые узлы скорее ослабят, чем усилят сеть. В ту пору, когда в существовании нейрогенеза взрослых еще сомневались, его пытались опровергнуть на принципиальных основаниях. Это не получилось. Сегодня мы знаем, что и теоретически тоже существуют и могут существовать нейронные сети, которые способны не только пережить появление новых узлов, но и извлечь из него пользу и которые сами стремятся к этому. Новые узлы означают также новые связи; таким образом, речь идет об особой, в определенном смысле высшей форме пластичности.

По крайней мере, так это выглядит. Как все на самом деле, понять очень трудно. Для этого нужно научиться «отдельно» измерять пластичность и найти какое-то числовое выражение этой удивительной способности к изменению формы, чтобы проводить сравнения. Сделать это с новыми нервными клетками становится все проще, и постепенно выясняется, что мы можем считать гипотезу верной. Но по-настоящему доказать ее – все еще очень сложная задача.

С другой стороны, стороннему наблюдателю пластичность не бросается в глаза. Со времен Античности и до Нового времени тело представляли как некий сосуд, который содержит нематериальную жизненную энергию или душу. Это подразумевает некий дуализм. Дуализм – поскольку мы строго разделяли телесное и духовное. Подразумевает – поскольку это казалось настолько само собой разумеющимся, что едва ли когда-нибудь находились монистические рассуждения, которые можно было бы ему противопоставить. Проблема души и тела стара, как сама философия.

Конечно, понятие пластичности не решает проблему души и тела. Наоборот, можно показать, что оно вносит дополнительные сложности. В то же время с простым дуалистическим восприятием оно несовместимо.

Когда мы говорили, что пластичность – это обязательное условие любой мозговой функции, мы на самом деле были неправы. Пластичность – это основа любого обучения. Мозг же осуществляет множество важнейших фундаментальных функций, с обучением никак не связанных. Например, центральное управление дыханием имеет довольно жесткую структуру, и в дыхательном центре в стволе головного мозга нет места для способности к обучению и пластичности. Как правило, самые базовые функции наименее пластичны. Это верно и для целых организмов. Муравьи с их крошечным мозгом получили жесткие программы навигации, благодаря которым они способны после поисков добычи по сложнейшей траектории вернуться к муравейнику по прямой. Это очень сложно устроено (пустынные муравьи для ориентации используют совершенно невидимый для нас поляризационный узор на небе, а расстояния измеряют с помощью некоего встроенного шагомера), но никакой пластичности здесь нет. Муравья легко сбить с толку, если усложнить задачу для его «инструментов». Рудигер Венер из Цюрихского университета подробно исследовал это, поставив множество классических экспериментов. Способность маленького мозга к обучению очень ограниченна. Пластичность нарастает с уровнем его развития (см. рис. 16 на вклейке).

Как развивается мозг

Пластичность очень тесно связана с развитием. Слово «развитие» содержит в себе прекрасный образ. В нем есть что-то очень жизненное. Хотя о моделях автомобилей мы тоже говорим, что они развиваются, это совершенно не то же самое, что развитие человека, и совсем не тот процесс, который, например, мы имеем в виду, упоминая раннее развитие ребенка. Разница заключается в том, что живое существо в этом процессе проявляет внутренне присущую ему силу самоорганизации и самообразования, которая отсутствует в «природе» технических устройств. Здесь развивается потенциал, который некоторым образом уже заложен, но для реализации которого еще нужен сложный, во многом саморегулируемый процесс. Это всегда завораживало человека: так в Библии часто встречается образ жизни, с немыслимой силой пробивающейся из крошечного семечка. Когда были записаны библейские тексты, никто еще не знал, что люди тоже выходят из «семечка», что все развитие начинается с оплодотворенной яйцеклетки. Это прастволовая клетка каждого живого организма.

Компьютер же, помимо того что ему не свойственна пластичность, не развивается из маленького оплодотворенного прачипа. Компьютеры сразу делают такими, какими они должны быть. У живых существ пластичность и развитие тесно взаимосвязаны. В какой-то мере пластичность – это продолжение развития, когда организм, можно сказать, перерос его или даже просто вообще вырос. Здесь много общих или, по крайней мере, похожих процессов и механизмов, поэтому, изучая процессы развития, можно попытаться разобраться в принципах регенерации и пластичности, что мы и делаем в Центре регенеративной терапии в Дрездене (CRTD).

Откуда берутся новые нервные клетки?

Когда Альтман заявил, что в мозге обнаружены новые нервные клетки, трудно было однозначно сказать не только что они новые, но и что они нервные. Однако помимо этого и в первую очередь из его первых сообщений встал следующий открытый вопрос: даже если новые нейроны есть, то откуда они берутся? De nihilo nil («ничто не возникает из ничего») – биологи тоже, безусловно, расписываются под этим принципом.

Чтобы разобраться в нейрогенезе взрослых, нужно знать, что такое стволовые клетки, поэтому скепсис, который в первые годы вызывало это явление, вполне оправдан. Без информации о стволовых клетках построить убедительную картину не получалось.

Нейроны больше не делятся, это «постмитотические» клетки, они имеют окончательную форму. Это верно и сегодня. При болезни Альцгеймера встречается загадочное явление, когда в ходе заболевания нервные клетки вступают в процесс клеточного деления. Но они гибнут, поскольку не могут полноценно пройти его. Встроенные защитные механизмы скорее вызовут смерть этих клеток, чем допустят, чтобы они по-настоящему делились. По крайней мере, так это объясняют, окончательного доказательства пока что нет.

Никто еще не видел, чтобы нейроны успешно делились. Как мы уже говорили, Альтман это понимал, поэтому, чтобы предупредить очевидно напрашивающийся вопрос «откуда», постулировал, что существует «некий вид клеток-предшественниц», из которых могли бы образоваться новые нервные клетки. Что он имел в виду?

Клетки-предшественницы – это несколько расширенное понятие, включающее в себя стволовые клетки и подобные им. Согласно самому простому определению, это клетки, из которых получаются другие клетки. Со стволовых клеток начинается развитие, поэтому они должны обладать способностью делиться и порождать дочерние клетки, которые уже выберут определенный путь развития, например, превратятся в нейрон. В этой главе мы подробнее расскажем о стволовых клетках мозга.

После того как сначала в 1992 году были открыты стволовые клетки мозга, и особенно в 1995-м упомянутые Альтманом «клетки-предшественницы» в гиппокампе, идея нейрогенеза взрослых перестала быть подвешена в вакууме. Нашлась конкретная причинная связь с биологией развития нервной системы. Это фундаментальное доказательство в 2000 году провел Фред Гейдж. Стало ясно, что развитие мозга, возможно, не прекращается на протяжении всей жизни. Даже если считать, что нейрогенез взрослых в мозге млекопитающих встречается лишь в порядке исключения, то оно опровергло убеждение, которое до тех пор считали непреложным законом.

В принципе Фернандо Ноттебом в своих исследованиях нейрогенеза у птиц уже пришел к этому. Он подробнейшим образом описал развитие новых нервных клеток. Было очевидно, что по крайней мере в птичьем мозге должна существовать клетка, способная делиться и образовывать новые нейроны. Но он этот момент не подчеркивал, и очень сомнительно, что по-настоящему понимал его центральное значение.

Предположение о клетках-предшественницах у птиц в лучшем случае могло бы способствовать обострению вопроса о таких клетках в мозге млекопитающих. В конце концов, здесь речь шла «всего лишь» о птицах, наших дальних родственниках, настоящих мастерах нейрогенеза, да еще в области мозга, которая отвечает за обучение пению и которой у человека вообще нет.

Должно быть, Фернандо Ноттебома очень раздражало такое пренебрежение, не то чтобы совсем безосновательное, но все же несколько несправедливое. Он видел своим вкладом в науку законченное, полное описание нейрогенеза взрослых. Сегодня в целом вторым рождением этой области исследований считается событие, которое произошло гораздо позже, а именно в тот момент, когда впервые удалось доказать, что мозг взрослых млекопитающих, в данном случае в первую очередь крыс и мышей, содержит полноценные нейрональные стволовые клетки.

Небольшой экскурс: спор о стволовых клетках

Примерно с 2000 года в Германии о стволовых клетках известно практически всем. В ходе так называемых дебатов о стволовых клетках они превратились в политическую тему. В результате этого спора заявка на финансирование экспериментов над человеческими «эмбриональными стволовыми клетками» (то есть стволовыми клетками, которые стоят в самом начале развития организма), поданная в Немецкое научно-исследовательское общество (DFG) исследователем из Бонна Оливером Брюстле, в конце концов оказалась в бундестаге. В итоге был принят Закон о стволовых клетках, в который уже через несколько лет пришлось вносить изменения, потому что он был сшит совершенно на живую нитку.

Эти дебаты на самом деле были спором не о стволовых клетках, а об этических проблемах вокруг манипуляций с организмом в самом начале его жизни. Похожие дискуссии шли практически в каждой западной стране, и результаты их были хотя и не одинаковы, в первую очередь в силу конкретных политических условий каждого государства, но очень похожи. Раскол, прошедший по всем слоям населения и многим политическим партиям, поделил общество примерно пополам. Обсуждалась одна и та же проблема: можно ли разрешить выделять стволовые клетки из человеческого эмбриона на очень ранней стадии развития (приблизительно через две недели после оплодотворения), например после аборта или, теоретически, после целенаправленного оплодотворения in vitro. Остро встал вопрос о том, когда вступает в силу необходимость защищать человеческую жизнь. То, что дискуссия разгорелась именно вокруг стволовых клеток, не было чистым совпадением, но в целом произошло случайно. Часто говорили, что здесь общество наверстает упущенное и дебаты будут такими, каких не было ни вокруг легализации абортов, ни вокруг современных методов репродуктивной медицины.

Центральным аргументом спора были (и остаются) так называемые взрослые стволовые клетки, они же оказались важным фактором, когда, как это водится, ситуацию стали делить на белое и черное. Это стволовые клетки в том виде, в котором они по-прежнему встречаются в выросшем (взрослом) организме и служат, например, основой для пожизненной способности к регенерации кожи, кишечника и крови. Обычно вокруг них не возникает никаких этических проблем. В связи с ними не может разгореться спор о ранних стадиях жизни. Стволовые клетки, участвующие в нейрогенезе взрослых, и в целом стволовые клетки мозга относятся к этой же категории. Поскольку этот тип клеток уже присутствует в пренатальном развитии, эпитет «взрослые» не совсем точный, но он прижился. Собственно, в науке о взрослых стволовых клетках говорят, только если имеют в виду именно стволовые клетки взрослого организма. В противном случае речь идет о «соматических» стволовых клетках. Это слово происходит от латинского soma – тело. Нейрональные стволовые клетки, таким образом, относятся к соматическим (или, как их еще называют, тканеспецифичным или прогениторным).

Соматические стволовые клетки, которые этических сомнений не вызывают, нередко использовали в дебатах как аргумент против «опасных» эмбриональных стволовых клеток. В этом контексте исследования нейрогенеза взрослых могли бы пользоваться благами «чистой» репутации, что не пошло бы им на пользу. Ведь с биологической точки зрения эмбриональные и соматические стволовые клетки – это одно и то же, просто на разных стадиях развития.

При их исследовании действительно могут возникнуть разнообразные этические проблемы, но клетки в этом не виноваты. Сведения о ранних стадиях развития важны, а дискуссии о том, как и на каких условиях допустимо проводить подобные опыты, в обществе необходимы. Но, конечно, этические споры не должны влиять на восприятие самого явления (а также его исследований, если речь идет о его сущности).

Стволовые клетки мозга очень интересны еще и потому, что они способны поставлять новые нейроны на протяжении всей жизни. У нейронов совершенно особая роль, их узкая функция волнует нас гораздо больше, чем деятельность каких-нибудь клеток соединительной ткани. Дебаты не касались стволовых клеток мозга напрямую. Но нельзя сказать, что ученые, которые выбирали их в качестве объекта, стремились избежать сложностей, потому что в Германии изучать стволовые клетки якобы стало так трудно. Одно с другим всегда было связано слабо.

Вся эта большая дискуссия хотя и не сошла на нет, но в основном все-таки уже ослабла, когда в 2006 году Синъя Яманака описал сравнительно простой способ, которым можно получить из совершенно обычных клеток организма, в том числе пресловутых клеток соединительной ткани, стволовые клетки, ничем не отличающиеся от эмбриональных (если быть совсем точным, известные отличия есть, и пока что их не удалось окончательно интерпретировать, но это никак не умаляет прорыва, который вызвало данное открытие). Метод Яманаки – индукция плюрипотентности – оказался по-настоящему сенсационным, и уже через пять лет был по праву отмечен Нобелевской премией. История не помнит других случаев, чтобы это случалось так быстро.

Из индуцированных плюрипотентных клеток можно в том числе генерировать стволовые клетки мозга, а из них, в свою очередь, нейроны. Таким образом, весь длительный процесс развития нервной клетки хотя бы в существенной мере можно воспроизвести в чашке для клеточных культур. Немало людей хотят и вольны думать, что однажды выращенные таким образом нейроны (или клетки-предшественницы нейронов) можно будет подсаживать в мозг в рамках терапевтической трансплантации клеток – в полном соответствии с картинами, которые рисовали себе пионеры нейротрансплантации (к их широкому кругу принадлежал и Фред Гейдж), а также с идеей исследования стволовых клеток, ориентированного на медицинское применение, из которой, в частности, разгорелся большой спор вокруг этой темы. В этом состоит связь между такого рода исследованиями и нейрогенезом взрослых.

Открытие Яманаки и беспрецедентно быстрое признание, которое оно получило, говорят о фундаментальном изменении парадигмы: это переход от пропитанного взаимоуважением исследовательского мира к миру самоуверенной торговли. Конечно, в науке всегда встречались такого рода амбиции, и нужно остерегаться, чтобы не слишком идеализировать воззрения прошлого, которые царили до Яманаки. Здесь наука сделала большой шаг в определенном направлении, и следующую стадию его бурного развития мы сегодня наблюдаем в виде все более широкого применения методик генной модификации (системы CRISPR/Cas). Итак, индукция плюрипотентных стволовых клеток оказала двойственное действие: благодаря ей разрешилась этическая дилемма, но она же стала шагом к новой, самоуверенной биологии – биологии синтеза, причем синтеза в очень широком смысле.

Напротив, в рамках исследований стволовых клеток в контексте нейрогенеза взрослых ученые в первую очередь занимаются интерпретацией природных явлений в том виде, в котором мы их наблюдаем. С другой стороны, разработки Яманаки по репрограммированию также привели биологов к фундаментальному осознанию: условия, которые определяют потентность стволовых клеток[25] (в том числе обеспечивающих нейрогенез взрослых), в целом составляют «программу».

Стволовые клетки: определение

Но что такое вообще стволовые клетки? Помимо простого определения, согласно которому стволовая клетка – это клетка, из которой образуются другие клетки, существует множество более подробных определений, и все они вертятся вокруг сути данного явления, но не могут ее по-настоящему ухватить. Даже происхождение этого термина покрыто мраком[26]. Вероятно, нынешняя концепция стволовых клеток возникла в репродуктивной медицине 50-х годов XX века.

Современное формальное определение гласит, что стволовая клетка – это клетка недифференцированная, но, с одной стороны, способная к «бесконечному самообновлению» (посредством деления), а с другой – к образованию более дифференцированных, то есть более зрелых дочерних клеток. Естественно, и то и другое вместе возможно только при условии так называемого асимметричного деления клетки. Чтобы соблюсти критерий самообновления, должна образоваться дочерняя клетка, неотличимая от материнской; одновременно с этим должна получиться вторая дочерняя клетка, которая выйдет из недифференцированного состояния и последует по определенному пути развития. Таким образом, асимметричное клеточное деление – это тоже определяющий признак настоящей стволовой клетки.

Отличающаяся дочерняя клетка, которая при этом образуется из стволовой, обладает некоторыми свойствами стволовых клеток, но ее способность к самообновлению перестает быть бесконечной, и за ней уже закреплен более или менее узкий путь развития. Эти клетки называются «клетки-предшественницы».

Досадным образом, термин «клетки-предшественницы» (die Vorläuferzelle) в немецком языке также обозначает родовое понятие, объединяющее стволовые клетки и их дочерние клетки[27]. В английском дело обстоит иначе: родовое понятие – это «precursor cell» («клетка-предшественница»), а дочерние клетки называются «progenitor cell» («прогениторные клетки»). Такая расплывчатость немецких терминов постоянно вызывает путаницу. Кроме того, выражение «стволовая клетка» в быту (а часто и в науке) употребляют очень широко и неточно.

Способность стволовой клетки к образованию различных типов клеток или даже тканей называют мультипотентностью. «Мульти» – значит много, но конкретное количество сильно различается в зависимости от типа стволовой клетки. Из мультипотентных стволовых клеток, присутствующих в начале развития нервной системы, в первые недели после оплодотворения, в итоге получаются клетки нескольких сотен типов, принадлежащие к обеим большим группам клеток мозга – нервным и глиальным. Сколько именно клеточных типов можно найти в мозге, остается неясным, поскольку ответ очень сильно зависит от используемых определений.

Клетки и клеточное деление

Чтобы до конца разобраться во всем этом, а заодно понять, какое значение имеет исследование стволовых клеток для нейрогенеза взрослых, нужно вернуться еще на шаг назад и посмотреть, что вообще такое клетка. То, что это элементарная единица всего живого, а многоклеточные организмы, такие как мы, – это собрания целых легионов разнообразных клеток, сегодня известно всем и кажется чем-то само собой разумеющимся. Но клетки имеют микроскопические размеры. Об их существовании ничего не могло быть известно, пока не изобрели первый микроскоп.

Первым клетки описал Роберт Гук, один из величайших универсальных гениев за всю историю человечества. Под микроскопом, который он соорудил сам (первый подобный прибор незадолго до этого создали в Амстердаме), он в 1665 году обнаружил в кусочке коры пробкового дерева маленькие ячейки, которые напомнили ему скромные жилища монахов, монастырские кельи[28]. Однако он описывал совершенно статичную картину, в которой не было никаких признаков того, что клетка – это элементарная единица живого и в функциональном смысле тоже. Почти одновременно с этим первые микроскописты сделали то, что сегодня делают дети, когда им достается микроскоп (если такое все еще бывает) и они начинают рассматривать все, что только можно рассмотреть без мудреной подготовки препаратов, а просто потому, что эти объекты пропускают достаточно света. Рано или поздно юному натуралисту попадается вода из пруда, и он тут же обнаруживает, что капля под микроскопом просто-таки кишит жизнью. Малюсенькие существа, которые в ней плавают, также бросились в глаза исследователям XVI века, но о том, что они одноклеточные, еще никто не знал. Микроорганизмы довольно долго не связывали с понятием клетки, и тем более не было ответа на вопрос, откуда взялись клетки и эти крошечные животные. Люди приняли на веру, что они материализовались «с нуля», и нескоро попытались разузнать что-то еще.

Илл. 15. Роберт Гук, универсальный гений эпохи Просвещения, первым описал клетку, элементарную единицу живого. Здесь мы приводим оригинальный рисунок из его пионерской работы, изображающий ячеистую структуру клеток растений

Ситуация в корне изменилась только в XIX веке. Рудольф Вирхов, один из основоположников современной медицины, ввел принцип omnis cellula а cellula («любая клетка происходит из клетки») Вирхов сформулировал этот ставший его кредо тезис в первую очередь в применении к патологии, являясь создателем клеточной патологии, которая строится вокруг предположения о том, что патологический процесс начинается с изменений на уровне отдельной клетки. В принципе это считается верным и сегодня. Но у теории есть и множество более фундаментальных следствий. Так, она окончательно закрепила статус клетки как элементарной функциональной единицы живого.

Клетки размножаются делением, но не все они могут делиться. За редким исключением, размножаться способны, как правило, недифференцированные клетки, то есть еще не специализированные для конкретных функций в органе или в ткани. Из недифференцированных клеток образуются дифференцированные, строится определенная иерархия. У истока развития стоят недифференцированные, способные к делению клетки, из которых впоследствии образуются все более дифференцированные, специализированные дочерние клетки. Эти недифференцированные клетки – стволовые клетки. Все стволовые клетки могут делиться, но не все клетки, которые могут делиться, – стволовые. Есть еще несколько клеточных типов, которые могут размножаться делением, но в этом случае на нем все кончается. За ним не следует дифференцировка или определение новой специализации.

Таким образом, в многоклеточных организмах мы видим разделение труда: способность к размножению в большинстве органов обычно отдана стволовым клеткам, а функции – дифференцированным, которые обеспечивают деятельность органа, например обмен веществ в печени, газообмен в легких, развитие силы мышц или прочность костей. Кроме того, разные виды дифференцировки тоже представляют собой формы разделения труда, и благодаря такой специализации как раз развились невероятные функциональные способности и приспособляемость растений, животных и всех остальных многоклеточных организмов, которые сегодня населяют Землю.

Илл. 16. Рудольф Вирхов – отец современной патологии, открыл глиальные клетки

С этой точки зрения стволовые клетки тоже имеют специализацию, и это – способность к делению и отсутствие какой-либо другой специализации, благодаря чему они служат резервуаром, из которого можно получать новых «специалистов».

Клеточное деление требует больших ресурсов и плохо совместимо с другими функциями. Это очень сложный процесс, для него нужны совершенно иные свойства и условия, чем при другой специализации. Таким образом, существует разделение труда между активно делящимися клетками, с которых начинается развитие, и клетками, прошедшими дифференцировку и отказавшимися от функции деления в пользу других специализированных функций. У этой схемы масса достоинств. Например, она позволяет лучше контролировать склонные к делению клетки, чем если бы каждая клетка должна была заботиться о своем преумножении. Сложные программы развития легче формируются и поддаются управлению, если клетки подчиняются иерархии, где каждой ступени в развитии соответствует определенный этап.

Илл. 17. Сформулированный Рудольфом Вирховом принцип omnis cellula a cellula («любая клетка происходит из клетки») не только произвел революцию в учении о болезнях и биологии развития, но и для самого исследователя был настолько важен, что тот поместил его на своем экслибрисе

Чисто теоретически природа могла найти и другое решение. Существуют клетки, которые прошли дифференцировку, но сохранили способность делиться, и можно представить себе, как в случае необходимости запасы могли бы обновляться или восполняться с их помощью. Например, так это устроено в печени. С другой стороны, нейроны снабжены сильно разветвленными отростками, а через их мембрану проходят электрические импульсы. Трудно представить себе, как должна делиться клетка с такими свойствами. Их называют «постмитотическими», потому что их последнее деление (митоз) безвозвратно прошло.

Когда способность к делению сохраняет небольшая группа клеток, изолированная при этом от других, это также повышает надежность. Неконтролируемое деление клеток – не что иное, как рак. На самом деле некоторые современные теории канцерогенеза утверждают, что образование опухоли начинается со сбоя в стволовых, а не в дифференцированных клетках. Неясно, относится ли это ко всем видам рака, но в случае опухолей мозга данная теория объяснила бы многие особенности, которые в противном случае остаются загадкой. Таким образом, ограничение способности делиться обеспечивает лишь частичную защиту. Но это также показывает, что, если бы активно делиться при необходимости могли все клетки тела, риск был бы несоразмерно больше.

Итак, способность к делению – это хороший, но не обязательно однозначный признак стволовых клеток. Долгое время, однако, он был единственным. На способности и потребности делиться, которой обладают стволовые клетки, в результате чего в них встраивается меченный радиоактивным водородом тимидин (тогда как готовые нейроны остаются постмитотическими), основан метод, с помощью которого Альтман доказывал существование нейрогенеза взрослых. В версии с использованием БДУ его применяют до сих пор. Достоверность этого метода выросла, когда удалось подключить дополнительные критерии, чтобы подтвердить, что делятся при этом именно стволовые клетки.

Как исследуют стволовые клетки: о сферах и слоях

Для этого нужно показать, что потенциальные стволовые клетки способны к самообновлению и мультипотентны. Это не так просто, особенно если оба критерия требуется подтвердить прямо в мозге. Для начала следовало бы выявить эти свойства на изолированных клетках. Даже по животным в зоопарке (тоже изолированным) можно многое узнать об их виде. Но все-таки не все, и в первую очередь – ничего о том, как они взаимодействуют со своей естественной средой. Тем не менее именно такое описание стволовых клеток в «условиях зоопарка» клеточной культуры удалось выполнить в начале 90-х, тем самым ощутимо восполнив пробелы в наших знаниях.

Рейнольдс и Вейс сумели сделать это на стволовых клетках из стенки желудочка мозга. Для этого они выделили клетки, положили в посуду для культивирования с питательной средой и создали еще некоторые условия, о которых они могли предположить, что стволовым клеткам те бы понравились. Во многом это было сделано наугад. Работа с клеточными культурами – это своего рода магия, или, лучше сказать, ремесло. В любом случае здесь этого больше, чем чисто теоретических научных принципов.

Как бы то ни было, попытка удалась, и вскоре в среде плавали отдельные маленькие комочки, так называемые нейросферы, которые при этом довольно быстро росли (см. рис. 17 на вклейке). Когда клетки в этих сферах разъединили, все пошло заново, и с клетками следующего поколения, когда их вновь разъединили, произошло то же самое. Из отдельных клеток все время получались сферы, довольно неоднородные скопления, и отдельные клетки в них были способны к формированию новых разнородных сфер. Эта способность, которая сохранялась из поколения в поколение, – ни больше ни меньше чем признак самообновления. А неоднородность таких скоплений клеток говорит об их мультипотентности.

Исследуя гиппокамп, Палмер и Гейдж пошли другим путем. Они не давали клеткам свободно плавать, а нанесли на лабораторную посуду слой, к которому те могли прикрепляться. Логика в том, что в организме клетки тоже не перемещаются туда-сюда сами по себе и, естественно, всегда ищут, где остановиться. То же самое они делают в сферах, поэтому и слипаются друг с другом. Таким образом они создают свое собственное окружение. Но при этом они перестают плавать по отдельности, и вскоре становится невозможно разобрать, что происходит. В так называемых адгезивных культурах клетки тоже находятся в контакте, но не столько друг с другом, сколько с лабораторной посудой. Они дольше остаются разъединенными, их проще исследовать как отдельные сущности. Преимущество здесь в том, что культуры остаются более чистыми. С другой стороны, возникает ситуация, далекая от условий организма.

Продемонстрировать самообновление клеток в адгезивной культуре несколько сложнее, зато можно совершенно отчетливо показать, что они дифференцируются и превращаются в клетки различных типов (мультипотентность). Тем не менее Палмер и Гейдж именно таким образом подтвердили, что в гиппокампе взрослых, для начала крыс, есть стволовые клетки.

Некоторое время эти два метода культивирования стволовых клеток – в сферах и в клеточном слое – соперничали. Разразилась дискуссия, похожая на детские ссоры на почве того, что лучше: Mercedes или BMW, ручки Geha или Pelikan, футбольный клуб «Шальке 04» (или теперь уже «Боруссия») или «Бавария» и так далее. Сейчас можно наблюдать мирное сосуществование и даже смешанные формы этих методик. Исследователь стволовых клеток Клив Свендсен назвал эти два типа клеточных культур версиями нейрональных стволовых клеток для ПК и Apple: действуют они примерно одинаково, но не вполне совместимы друг с другом. Тут не хватает только своей системы Linux. У этих двух методов культивирования совершенно разные свойства, и оба они дают лишь приблизительную картину. Ни один из них не идеален. Оба остаются моделями. Но модели очень полезны, особенно если использовать их в сочетании друг с другом. Они незаменимы, когда нужно подтвердить свойства стволовых клеток.

Тем временем удалось продемонстрировать эти клеточные свойства и в самом мозге, что несравнимо сложнее. Аналогично методу БДУ можно инфицировать клетки вирусом, который поражает их только при делении (так называемым ретровирусом). Ученые используют непатогенный вирус такого рода, в геноме которого есть «репортер» – зеленый флуоресцентный белок (сокращенно ЗФБ)[29]. Этот белок можно заставить светиться под микроскопом. Таким образом удается непосредственно наблюдать инфицированные клетки. Геном вируса встраивается в геном клетки хозяина и передается потомкам при делении. В результате дочерние клетки тоже светятся зеленым. Дочерние и материнские клетки образуют клон. Вводя вирус экономно, чтобы инфицировать лишь совсем немногие стволовые клетки, потом можно исследовать этот клон весь целиком и анализировать в нем различные клеточные типы. Если среди них опять есть стволовые клетки, это говорит о самообновлении, если встречаются дифференцированные дочерние клетки разных видов – о мультипотентности. В теории звучит незамысловато, но на самом деле это сложнейшая техническая задача. Как бы то ни было, этот подвиг показывает, что в мозге взрослых действительно присутствуют полноценные стволовые клетки.

Нервные клетки

Нервные клетки принадлежат к числу самых сложных клеток с наиболее узкой специализацией. Их функция, прочно связанная с их совершенно особенной и весьма асимметричной формой (здесь говорят, что клетка поляризована, поскольку ее полюса очень сильно различаются), практически исключает способность к делению. По крайней мере, распространено такое мнение. Как мы уже говорили, когда нейроны в результате внутренних нарушений или неверных внешних сигналов пытаются запустить неправильную программу и все же вступить в клеточное деление, это оказывается несовместимо с остальными их качествами. Именно по этой причине они гибнут. Поскольку это происходит при нейродегенеративных заболеваниях, ученые предположили, что клетки предпринимают попытку деления, чтобы таким образом все же обеспечить регенерацию. Верно ли это, неизвестно. Точно можно сказать одно: нет никаких признаков того, что нейроны могут успешно делиться. А мозг не регенерирует (или почти не регенерирует).

Нервные клетки специализируются на обработке информации. Они принимают сигналы и передают их дальше, и сумма входящих сигналов, а также их распределение во времени, определяет, окажет ли нейрон возбуждающее (или, в зависимости от его типа, тормозящее) действие на другие, следующие в цепочке нервные клетки. Этим они немного похожи на электродетали, которые производит человек, такие как реле или транзистор. Мозг состоит из миллиардов нейронов, организованных в сложнейшую сеть. Пока что мы пытаемся выяснить, какие закономерности действуют в этих сетях, и понимаем их лишь частично. Они образуют небольшие схемы и функциональные единицы, которые соединяются в более крупные модули и системы. Из них, в свою очередь, формируются центры и области, а те уже составляют часть вышестоящих функциональных систем и более крупных анатомических мозговых структур. К таким системам, например, относятся сенсорная система, направленная на обработку информации от органов чувств, или моторная система, которая инициирует движения и управляет ими. Примеры более крупных анатомических мозговых структур – это кора головного мозга, ствол мозга, мозжечок, спинной мозг и так далее.

По словам «модули», «системы», «центры» и «области» уже можно понять, какую беспомощность ощущали исследователи, когда им нужно было установить иерархию функциональных и структурных терминов. Сегодня мы уже не так беспомощны, и ученые предпринимают многочисленные попытки соединить собранную информацию на компьютере, чтобы смоделировать участок новой коры головного мозга во всей его сложности. Эта затея[30] остается большой авантюрой, и совершенно непонятно, сможет ли она когда-нибудь увенчаться успехом.

Невероятная сложность мозга, вообще говоря, по-прежнему должна внушать смирение. Даже его минимальная функциональная структурная единица, а именно нервная клетка, для нас все еще чрезмерно сложна. То, каким образом нейроны выполняют свои задачи и как из их согласованного взаимодействия получаются, с одной стороны, структурные, а с другой – функциональные схемы, модули, системы и все прочие сети (и почему это возможно), до сих пор во многом непонятно.

Отношения между клетками в гиппокампе, а значит, и зернистыми клетками зубчатой извилины, которые демонстрируют нейрогенез взрослых, еще относительно просты. Гиппокамп – «древняя» мозговая структура: в эволюции он возник сравнительно рано, прежде всего до неокортекса. Гиппокамп тоже составляет часть коры, но это «архи»-кортекс – старая кора с ее относительно простым строением: она состоит всего из трех клеточных слоев, тогда как неокортекс состоит из шести.

Зернистые клетки – это очень однородная группа нейронов с упорядоченными входами и выходами. Подробности мы обсудим в следующей главе. Но это тоже полноценные нервные клетки со всем причитающимся. Особенными их делает то, что организм способен образовывать новые клетки этого типа. А это невозможно без стволовых клеток.

Стволовые клетки и нейрогенез взрослых

Таким образом, стволовые клетки – это необходимое условие для нейрогенеза взрослых. В гиппокампе и в стенке мозгового желудочка можно найти специализированные популяции стволовых клеток, из которых на протяжении всей жизни формируются новые нейроны. В других местах в мозге могут содержаться подобные им клетки, которые ученые способны побудить к образованию новых нейронов в клеточной культуре вне тела. Но в центральной нервной системе млекопитающего такое может случиться только в двух зонах нейрогенеза. А у человека это, судя по всему, происходит только в гиппокампе.

Стволовые клетки, которые лежат в основе нейрогенеза взрослых, способны к самообновлению и мультипотентны, как им и подобает, но фактически их потенциал существенно ограничен. В клеточной культуре из них можно получить нейроны и глиальные клетки обеих больших подгрупп, а именно астроциты и олигодендроциты. В самом мозге стволовые клетки гиппокампа обычно вообще не производят олигодендроцитов. Из них формируются нейроны одного типа и, вероятно, два вида астроцитов.

Таким образом, их мультипотентность в этих условиях не слишком впечатляет. Но главное, что из способной к делению недифференцированной клетки образуются дифференцированные дочерние клетки. Делящиеся клетки формируют резервуар, который поддерживает сам себя (посредством деления) и таким образом на протяжении всей жизни или, по крайней мере, очень долгого времени обеспечивает возможность нейрогенеза.

Слово «резервуар» в этом контексте вызывает некоторые проблемы. Здесь нельзя представить себе наполненный чем-то бак. Скорее речь идет о чрезвычайно динамичной системе. Часть стволовых клеток находится в покое, возможно, на протяжении очень долгого времени, другие постоянно делятся, даже когда их дочерние клетки совершенно не нужны.

В целом количество стволовых клеток с возрастом уменьшается. При этом, чтобы окончательно запутать ситуацию, не исключено, что стволовые клетки обладают способностью напрямую, без промежуточного деления, превращаться в астроциты или нейроны. Это означало бы, что отличительное свойство стволовых клеток – их способность к делению – не обязательно связано со вторым их свойством. Кроме того, тогда стволовые клетки вполне могли бы, пусть даже в порядке исключения, самостоятельно продолжать дифференцировку. Исследователь стволовых клеток из Майнца Бенедикт Бернингер в одной из своих статей иронически предположил, что стволовые клетки, очевидно, просто не слышали об определении, которое мы им дали.

На примере стволовых клеток в мозге взрослых мы снова видим, что в науке у каждого правила есть множество исключений, а противоречащие друг другу высказывания часто оказываются верны одновременно. По-видимому, нейроны не в последнюю очередь неспособны делиться потому, что они поляризованы, но при этом исследователи с изумлением обнаружили, что стволовые клетки в гиппокампе и в стенках мозговых желудочков тоже имеют полярность. Таким образом, возможно, она не имеет решающего значения. А может быть, полярность стволовых клеток отличается от полярности нейронов. В любом случае у стволовой клетки в гиппокампе есть длинный отросток, который она выпускает в сплетение нервных волокон, тогда как ее основание (что-то вроде ноги) располагается на кровеносных сосудах слоя зернистых клеток. В стенках желудочков на первый взгляд все устроено наоборот. Там стволовые клетки вытянуты между желудочком и кровеносными сосудами, которые здесь лежат глубже. При делении, судя по всему, возникают две очень разные клетки. Дочерняя клетка некоторым образом отделяется от материнской стволовой клетки на уровне ее ядра. Это отчасти напоминает почкование дрожжей.

В асимметричном процессе деления для стволовых клеток нет ничего необычного, хотя здесь он особенно бросается в глаза. При самообновлении как минимум одна дочерняя клетка должна быть идентична материнской. Но лишь благодаря асимметрии при этом можно получать что-то, кроме дополнительных стволовых клеток. Поэтому асимметричное клеточное деление – их отличительный признак. Только таким образом они могут одновременно быть способны к самообновлению и мультипотентности.

В случае стволовых клеток гиппокампа скорее стоял вопрос о том, способны ли они также к симметричному самообновлению. При асимметричном делении доступный запас стволовых клеток не мог бы расти. Тогда его было бы невозможно подстроить под повышенные потребности или использовать, чтобы компенсировать возможные потери. Эта несколько академичная проблема оказалась не по зубам множеству исследователей. Но она очень важна и имеет совершенно практическое значение. С ней тесно связан другой вопрос: как нейрогенез взрослых меняется с возрастом. От фактических и потенциальных свойств деления зависит, насколько ярко в конечном итоге может быть выражена пластичность и можно ли поддерживать ее гибкость до конца жизни.

В 2012 году вышли две статьи: одну написали Хуан Энкинас и Григорий Ениколопов из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в штате Нью-Йорк, а другую – Майкл Бонагиди и Хундзэн Сун из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе. Интересно, что авторы обеих работ приводят очень вескую аргументацию в пользу полностью противоречащих друг другу утверждений. В то время как результаты, полученные Энкинасом и его коллегами, можно назвать пессимистичной версией, поскольку они доказывали, что процесс деления регулируется очень жестко и постепенно приводит к израсходованию запаса стволовых клеток, Бонагиди и его сотрудники показали, что отдельные клетки по всей популяции сохраняют способность к делению, а значит, возможность приспосабливаться к потребностям может действовать на протяжении всей жизни, что внушает больший оптимизм. Последнее лучше согласуется с неоспоримым на сегодняшний день фактом, что нейрогенез взрослых по-прежнему сохраняется в старости, но крайне тщательный анализ, проведенный в первой статье, не позволяет просто списать ее со счетов. Пока что ситуация до конца не прояснилась; вероятно, разгадка кроется в том, что одна группа проводила анализ совокупной популяции стволовых клеток и ее поведения в течение некоторого времени, а другая прицельно анализировала отдельные клетки. Как мы знаем на примере групп и сообществ, которые образуют люди, поведение индивидуума совершенно не равнозначно поведению толпы. Однако в первую очередь исследователи в обоих случаях рассматривали статичную картину. Сложные оценки размеров популяции могли бы принести совершенно иной ответ, если бы в итоге внешнего воздействия большее количество отдельных клеток повело себя иначе, чем предсказывала первая модель в состоянии покоя. Но реакция на стимулы внешней среды – это как раз и есть отличительный признак пластичности, которая реализуется за счет нейрогенеза взрослых.

Стволовые клетки как место взаимодействия генотипа и среды

Показательно, что понятие пластичности также используют применительно к стволовым клеткам самим по себе, и тогда оно означает не что иное, как мультипотентность и очевидную способность таких клеток переключаться между соответствующими возможностями. Здесь пластичность также выступает синонимом определенной открытости системы. В случае же нейрогенеза взрослых речь идет вовсе не о таком существенном переключении между различными направлениями развития. Скорее активация стволовых клеток способствует пластичности другого рода – пластичности нейронных сетей в гиппокампе. Мультипотентность – по крайней мере, так это выглядит, – в нейрогенезе взрослых никак не используется. В первую очередь здесь образуются нейроны одного-единственного типа. В обонятельной луковице ситуация несколько иная: формируются различные нейроны, но их функция пока совершенно не ясна.

Пластичность сетей, которые образуют нервные клетки, возникает на другом уровне, это не то же, что пластичность стволовых клеток. Зато, что для нас самое главное, такая нейрональная пластичность без них невозможна.

Опыт и деятельность влияют на нейрогенез взрослых в разные моменты в ходе развития новых нервных клеток. Но, конечно, начало этого процесса имеет основополагающее значение. Без стволовых клеток новых нейронов нет: это их источник. Инициация процесса происходит именно на их уровне. Как мы увидим в дальнейшем, их бурное деление может вызывать физическая активность. Такое деление в ответ на внешние сигналы позволяет обеспечить резерв для потенциальных новых нейронов. Это совершенно удивительное явление и важнейшая точка сопряжения внешней и внутренней среды.

У стволовых клеток есть генетическая программа, благодаря которой они восприимчивы к управляющим сигналам и могут преобразовать эти сигналы в другую программу. Кроме того, она позволяет клеткам делиться или дифференцироваться в нервные клетки. Таким образом, здесь мы наблюдаем более или менее непосредственное взаимодействие генотипа и среды. Поскольку со стволовых клеток начинается развитие, это значительно более фундаментальное явление, чем, например, когда синапсы пластично приспосабливаются к определенной деятельности. Здесь генотип тоже взаимодействует со средой или деятельностью, но это взаимодействие гораздо более узкого характера.

Еще один ложный путь: бихевиоризм

Идея пластичности мозга получила широкое признание не так давно. В XX веке у ошибочной аналогии с компьютером, а лучше сказать, с машиной было еще одно проявление. Речь идет о так называемом бихевиоризме. Принятое в этом подходе строго механистичное описание всех умственных процессов и процесса обучения оказало огромное влияние, среди прочего, на дискуссии о воспитании в 70-е годы XX века, когда расцвет бихевиоризма самого по себе давно был позади. Нередко случается, что широкая общественность дает осмысление научным тенденциям, когда наука уже ушла вперед.

Бихевиоризм пытался объяснять поведение, относя все происходящее на счет «психических рефлексов». В качестве примера здесь можно привести знаменитый рефлекс Павлова, когда собаку учат связывать звонок колокольчика с получением лакомства, так что в конце концов звонка оказывается достаточно, чтобы в радостном предвкушении началось слюноотделение, даже если угощения нет.

Адепты бихевиоризма, самым страстным и известным среди которых был Беррес Фредерик Скиннер, сложное поведение тоже пытались представить как сумму подобных приобретенных рефлексов. Такой принцип в обучении, который называют обусловливанием, конечно, существует и играет важную роль в объяснении поведения. Его иллюстрирует уже превратившееся в клише изображение лабораторной крысы, которая научилась, например, за вознаграждение нажимать кнопку.

Но выработкой условных рефлексов дело не ограничивается. Жестко придерживаясь позиций бихевиоризма, можно попасть в некоторые ловушки, из которых будет уже не выбраться.

Бихевиористы имели очень оптимистичные представления о способности человека (и животных) меняться. Естественно, это пришлось по нраву любителям социальных утопий, у которых бихевиоризм пользовался, соответственно, большой популярностью. Для приверженцев этого подхода личность значила мало. Обучение в их понимании – это процесс, преимущественно исходящий от обучающего, поскольку тот управляет формированием связей с помощью положительного и отрицательного подкрепления. При этом нужно отметить, что Скиннер в своих сочинениях был гораздо более открыт и критичен, чем его эпигоны. В результате отношение к нему сложилось непростое. Вероятно, его репутация оказалась хуже, чем он заслуживал. Тем не менее в основе бихевиористской теории лежит внешняя регуляция обучения, в том числе при установлении сложных взаимосвязей.

Илл. 18. Цель бихевиористского эксперимента – обучить определенному поведению с помощью положительной или отрицательной обратной связи и подкрепления. Механизмы такого рода, несомненно, существуют, и также несомненно, что этого подхода совершенно недостаточно, чтобы объяснить сложное поведение

При этом бихевиористы умалчивали, как эта теория должна функционировать на уровне мозга. В конечном итоге они рассматривали этот орган как черный ящик. Поведение объяснялось исключительно содержанием результирующей реакции на входящие стимулы, а индивидуум и его мозг считались пассивными.

Бихевиоризм представлял собой интеллектуальный тупик. Несмотря на некоторые очень важные достижения, многим ментальным явлениям он противоречит. Возможно, именно поэтому, грубо упрощая сложнейшие процессы, он обрел черты наивной идеологии. А тот, кто против этой идеологии возражал, рисковал карьерой.

При этом уже с 20-х годов XX века существовали четкие, наглядные признаки того, что мышление в отрыве от мозга постичь нельзя. Так, психиатр из Йены Ганс Бергер изобрел электроэнцефалографию (ЭЭГ). Благодаря ЭЭГ, которая измеряет в мозге электрические токи, стало очевидно, что даже в кажущемся состоянии покоя (в первую очередь во сне) он в высшей степени активен, и его деятельность протекает далеко не только как реакция на информацию от органов чувств и на внешние стимулы.

Сегодня известно, что в состоянии покоя мозг действует очень упорядоченно и структурированно, и паттерны этой деятельности возникают спонтанно. Активность колеблется, при этом в разных сетях фазы колебаний смещены относительно друг друга. Это требует определенных усилий, поскольку колебания стремятся синхронизироваться. Яркий пример – два часовых механизма с маятником, висящие на одной стене. Колебаний, которые передаются через стену, через некоторое время окажется достаточно, чтобы маятники стали качаться синхронно.

Бихевиоризм тоже открывал новые перспективы: самая известная подобная идея принадлежит Альберту Бандуре, выяснившему, что индивид обучается не только благодаря последствиям собственных действий, но и через имитацию. В связи с этим говорят об обучении по примеру.

Однако в теориях обучения, построенных на представлениях бихевиористов, было что-то неполноценное, в том числе потому, что они так рьяно дистанцировались от наблюдений за нейробиологической механикой – возможно, понимая, что их теории не пошло бы на пользу, если бы люди узнали о мозге слишком много.

Справедливости ради нужно все же сказать, что в нейронауке мозг сплошь и рядом в конечном счете рассматривали как машину, которая преобразует входящий сигнал в исходящий, опираясь на принципиально постижимые законы. Кроме того, с годами увеличивался концептуальный разрыв между растущими знаниями о функции отдельных нейронов и о том, как они объединяются в нейронные сети, с одной стороны, и объяснениями более сложной мозговой деятельности – с другой. Чем больше мы узнаем, тем сложнее сегодня выглядит вопрос, как заполнить этот пробел. Между входящим и исходящим сигналом располагаются целые миры, о которых мы только начинаем очень и очень медленно получать отдаленное представление – о том, чтобы понять их, даже нет речи.

Возможно, данные Альтмана о нейрогенезе взрослых долгое время вызывали прохладную реакцию еще и по причине тех настроений, которые царили в тогдашних психологии и педагогике. До 70-х годов XX века в последней было очень удобно придерживаться идей бихевиоризма, согласно которым ум – это чистый лист (tabula rasa), а мозг – черный ящик (black box). Это было обусловлено идеологически, ведь признавая силу природы, «общество» (или, например, партия) оказывается ограничено в маневре и, что еще важнее, несет меньше ответственности за воспитательную деятельность. Отождествлять биологические предпосылки и механизмы с детерминистской, натуралистической картиной мира вовсе не обязательно, а при ближайшем рассмотрении ужасно неэффективно, но, по-видимому, люди очень боялись, что слишком большое засилье биологии может ослабить педагогику (в широком смысле). Как мы видим, эти опасения имели под собой реальные основания, хотя и совершенно по другим причинам. У Стивена Пинкера есть толстая книга под названием «Чистый лист», где он красноречиво осуждает эту позицию.

Слабость бихевиоризма как подхода становится совершенно очевидной при попытке объяснить взаимосвязь между психикой и здоровьем тела. С помощью бихевиоризма сделать это решительно невозможно. Здесь мы вступаем на зыбкую с научной точки зрения почву, но ряд феноменов поразительным образом наглядно демонстрирует данное явление. Пожалуй, самый очевидный из них – так называемый эффект плацебо. Это собирательный термин, объединяющий разные варианты следующего наблюдения: убеждение или даже надежда, что лекарство поможет, способны действительно привести к этому. Причем это происходит несмотря на то, что таблетка не содержит никакого действующего вещества или содержит то, которое не может вызывать наблюдаемое действие. Этот удивительный факт задает шкалу, относительно которой оценивают все новые медикаменты. Лекарства тестируют в сравнении с плацебо. Пациентов случайным образом делят на две группы, и обе принимают лекарство. В одной группе оно не содержит действующего вещества, в другой содержит сполна. Но, конечно, обе группы думают, что они получают настоящее лечение, и их ожидания оказывают положительное воздействие. Если при этом между группами наблюдается разница, то ее следует относить на счет действующего вещества, поскольку психологический компонент должен быть одинаковым. При этом очень часто в результате измерений действие нового лекарственного средства оказывается небольшим, а эффект плацебо как раз очень значительным. На нем во многом основано действие любого лекарства (и даже хирургического вмешательства).

«Ожидания», будучи сложным сочетанием осознанной и бессознательной составляющих, – это не то состояние, которое можно было бы объяснить одним только обусловливанием. А их способность воздействовать на состояние телесного здоровья настолько, чтобы изменять симптомы в теле, невозможно интерпретировать даже с помощью сложнейшей системы психических рефлексов. Для объяснения не хватает мозга с его собственными законами и непрестанной самостоятельной деятельностью. Психика не существует от него отдельно, она взаимодействует с этим органом и со всем остальным телом. Когда говорят «mind is what the brain does» («мышление – это то, что делает мозг»), это может быть грубым упрощением, но это не ложь. Более того, в этом выражении содержится фундаментальная истина. С мозгом не просто что-то происходит – он совершает действие.

Похожим образом обстоит дело с психосоматическими заболеваниями, то есть телесными симптомами психических расстройств. Наконец, существуют явления, которые объединяют в направление психонейроиммунологии – несколько зыбкое, хотя и чрезвычайно интересное для ученых. Это научная дисциплина, которая с трудом получает признание широкой общественности. Неудивительно: мало того что она занимается связями между двумя самыми сложными из существующих биологических систем – нервной и иммунной, она еще и рассматривает психические эффекты, особенно трудные для понимания. В своем крайнем проявлении она пытается ответить на вопрос, может ли человек быть здоровым просто потому, что хочет этого. Обратный вопрос выглядит несколько проще: как стресс влияет на иммунную систему? В стрессе человек более подвержен инфекциям. Но почему?

Эти и некоторые другие явления нельзя объяснить с позиций бихевиоризма. Вы можете попытаться, но рано или поздно логические построения окажутся слишком сложны и будут содержать слишком много допущений; придется предположить, что все должно быть устроено совершенно иначе и в конечном итоге значительно проще. Уже само предположение о том, что мозг можно и нужно каким-то образом исключить из рассмотрения, с самого начала не пришлось по вкусу многим исследователям.

Дональд Хебб

Начало конца бихевиоризма в 1949 году положил канадский психолог Дональд Хебб, выдвинув крайне влиятельную теорию о том, как обучение функционирует на структурном уровне. Хебб предположил, что в основе обработки информации мозгом лежит структурное укрепление связей между нейронами, когда они активны, и их ослабление или разрушение, когда они не используются. Это способ записывать информацию в сетях. По крайней мере, его теория сводилась к такой интерпретации физиологии мозга. Бихевиоризм еще не был повергнут, но уже начал трещать по швам: мозг теперь рассматривался не как черный ящик, а скорее как более или менее активный участник происходящего.

У Хебба еще не было возможности экспериментально проверить свою идею. Но он поставил опыт, который позже возымел большое влияние: взял на выходные домой несколько лабораторных крыс, которых держали для испытаний, и, как гласит предание, дал их своим детям поиграть. В смысле опытов над животными времена тогда еще были вполне спокойные. Ученый установил, что эти крысы впоследствии показали более высокие результаты в тестах на обучение. Коллега Хебба повторил исследование в контролируемых условиях и получил тот же результат. Так появились на свет опыты в обогащенной среде – в этой же традиции позже мы ставили свои эксперименты с нейрогенезом взрослых.

Такое быстрое и широкое воздействие неспецифических стимулов противоречило догме бихевиоризма. Здесь нельзя было выявить отчетливое контролируемое поощрение, и все же поведение животных изменилось. Хебб, должно быть, предполагал, что между его постулатом о пластичности и этими экспериментами есть связь, но у него еще не было методов и данных, чтобы явным образом соединить их.

Работы Хебба имели колоссальное влияние, но экспериментально продемонстрировать синаптическую пластичность как нейробиологический фактор удалось лишь в 1973 году. Блисс и Лёмо описали так называемую долговременную потенциацию (по-английски это явление называется long-term potentiation и общеизвестно под сокращением LTP){34}. После того как нейроны подвергли сильной электрической стимуляции, у следующих в цепочке нервных клеток в течение долгого времени наблюдали повышенное возбуждение. Соединение становилось более чувствительным, сеть в месте этого соединения – более возбудимой (см. рис. 18 на вклейке).

До сих пор не вполне ясно, действительно ли совпадение LTP и обучения по времени что-то значит. По-прежнему недостает некоторых кусочков пазла, а эти два явления, очевидно, протекают на разных уровнях. Но на простейших сетях можно показать, что этот механизм действительно действует. Даже самые примитивные сети способны обучаться. Это продемонстрировал, например, Эрик Кандель в своих революционных опытах на калифорнийском морском зайце (Aplysia californica) – у данного животного очень примитивная, легко поддающаяся исследованию нервная система и очень ограниченный репертуар поведения, но оно способно к обучению. Эксперименты Блисса и Лёмо, связанные с LTP, пришлись на 70-е годы и были большим событием в науке, но их сухой технический характер и кажущаяся оторванность от жизни помешали им повлиять на представления общественности.

Ноттебом со своими канарейками привел нас к смене парадигмы, можно сказать, окольным путем. Птицы казались чем-то вполне невинным. Они вызывали умиление, но были слишком далеки, чтобы порождать идеологические возражения. И конечно, в то время, на которое пришлись эксперименты Ноттебома и Голдмена, уже появились и другие основания поставить идеологию 50–70-х годов под сомнение.

Некоторая ирония есть в том, что в опытах, которые привели его к нейрогенезу взрослых, Альтман собирался сделать нечто очень похожее. Он хотел наглядно продемонстрировать деятельность мозга. Само по себе это не было таким уж резким «антибихевиористским» актом, поскольку бихевиористы не отрицали ее, а просто для верности совершенно ей не интересовались. Они игнорировали то, что уже стало понятно благодаря ЭЭГ Бергера: простой связи между входящим и исходящим сигналами не существует. Альтман занимался пространственной организацией, а не пластичностью. Но он также интересовался мозгом как основой разума и мышления. Он открыл пластическое явление, в некотором роде увенчавшее собой другие данные о пластичности, которые тогда уже начали появляться: по крайней мере в отдельных областях мозга, в большей или меньшей степени в зависимости от вида животного, гибкость и способность изменять форму развиты настолько, что могут возникать целые новые нейроны.

Конечно, мог возникнуть соблазн сказать: прекрасно, тогда это таинственное явление – такая же часть черного ящика. Но вся система предположений бихевиоризма и связанных с ним подходов основана именно на неизменности правил. Если же принять, что опыт и собственное поведение во многом способствуют изменению условий в целях последующего обучения, при этом не предопределяя их в жесткой форме, придется ввести столько сложных дополнительных правил и предположений, что в конце концов от когда-то чудесной в своей простоте идеи, что поведение можно объяснить как сумму психических рефлексов, мало что останется.

Обогащенная среда

Вслед за Хеббом многие ученые стали использовать парадигму обогащенной среды, чтобы лучше понять, как отражаются на мозге опыт и поведение. В их распоряжении были еще довольно примитивные средства измерений, но даже простейшие методы постоянно подтверждали то, что вырисовывалось в итоге воскресной вылазки Хеббовых крыс: стимулируя мозг, мы вызываем изменение поведения. Как правило, это были изменения к лучшему: животные успешнее справлялись со всевозможными тестами обучения, меньше боялись и становились устойчивее к стрессу. И более того – мозг тоже менялся. Искусство точного подсчета клеток в препарате еще было развито слабо, но в остальном мозг взвешивали и измеряли во всех направлениях. Каждый раз получали один и тот же результат: у животных, которые жили в обогащенной среде, было несколько «больше» мозга. Было исследовано все, что тогда могли измерить. Например, в обогащенной среде кора становилась толще. Также росло содержание нейромедиатора ацетилхолина, которое уже хорошо умели определять.

Вокруг интерпретации этих данных разгорелись жаркие споры. Тогда никто не думал о нейрогенезе (а если и думал, это никак не отражалось в публикациях), даже после 1965 года и первого описания Альтмана. Альтман сам описывал эксперимент с обогащенной средой и сообщал, что, по-видимому, обнаружил рост числа глиальных клеток. Но, как мы уже говорили, что-либо подсчитать тогда было сложно, и эту работу предали забвению.

Как бы то ни было, необходимо отметить: опыт пребывания в более сложной среде изменяет мозг настолько, что это удалось измерить даже методами того времени. Если хорошо подумать, заключения здесь были весьма умозрительными. А подумали, конечно, многие. Аналогия с человеком лежала на поверхности и была очень притягательна. Характерно, что исследования обогащенной среды и ее воздействия на мозг часто проводили в психологических институтах. Поскольку материалом в них служили животные, противникам было легко критиковать результаты. В случае чего всегда можно было заявить, что для человека они ничего не значат. Но подразумеваемое здесь утверждение о том, что мозг под воздействием опыта изменяется лишь у «низших» животных, а людям это не свойственно, было по меньшей мере смелым и оставалось в силе лишь потому, что на человеке было невозможно провести аналогичные исследования. С тех пор как ситуация изменилась, в первую очередь благодаря магнитно-резонансной томографии, растет число соответствующих данных о нашем виде.

Обогащенная среда как исследовательский инструмент была чрезвычайно популярна в 50–70-х годах XX века. Полученные данные хорошо согласовывались между собой, но исследователи топтались на одном месте. Некоторые большие ученые посвятили этому удивительному явлению всю жизнь: четыре известных имени того времени – Марк Розенцвейг, Давид Крех, Эдвард Беннетт и Мариан Даймонд, и эти люди много лет занимались данной темой вместе и по отдельности.

Мариан Даймонд – особенно харизматичная представительница этого направления. На Youtube увековечены для цифрового будущего ее замечательные лекции по анатомии. К слову сказать, в ее биографии есть одна несколько сомнительная история. После смерти Альберта Эйнштейна его мозг извлекли и исследовали, предположительно вопреки изъявленной им воле. Это нейропатологическое исследование было не совсем обычным, потому что патолог Томас Харви, которому достался мозг ученого, считал его своим личным достоянием и в процессе сложной карьеры целыми десятилетиями возил его по всем США, так что до полноценного профессионального исследования так и не дошло. Харви не хватало компетентности, чтобы провести подобный анализ, но и приглашенные эксперты, которым довелось изучать препараты этого мозга, не нашли никаких признаков чего-то, что могло бы обусловливать гениальность Эйнштейна на клеточном уровне.

Илл. 19. Дональду Хеббу также принадлежит идея так называемой обогащенной среды, которую мы позже использовали, чтобы показать, что опыт способствует нейрогенезу взрослых. Исторический кадр времен расцвета этой концепции сделан Эдвардом Беннеттом

Илл. 20. Самой харизматичной исследовательницей воздействия обогащенной среды была Мариан Даймонд, чьи лекции по анатомии стали легендой и до сих пор доступны на Youtube. Фотограф: Елена Жукова (2010 год)

Дела Харви с годами шли хуже и хуже, он потерял работу, но вопреки всем правилам продолжал держать мозг Эйнштейна у себя. Однако к этому времени Мариан Даймонд получила от него материал и погрузилась в исследование возможных свойств, которыми мозг гения мог бы отличаться от других мозгов. Ее гипотеза росла из исследований обогащенной среды. В одной из своих важнейших работ она установила, что та может способствовать росту числа глиальных клеток. Исследовательница была убеждена, что обнаружила тот же эффект в пробах мозга Эйнштейна. К сожалению, здесь она приняла желаемое за действительное. Даже если бы это было так, определить это было бы не так-то просто. Но и эта странная история на самом деле говорит скорее об азарте большого ученого – в данном случае несколько чрезмерном, но направленном на исследование важного явления.

Мариан Даймонд написала замечательную книгу, в которой подытожила современные ей исследования обогащенной среды под очень удачным названием – «Обогащенное наследие» или, точнее, «Обогащение наследия» (Enriching heredity). Заголовок прекрасно отражает центральную тему книги.

На данный момент написано гигантское количество литературы по обогащенным средам – весьма избыточной. Везде и всюду находили и продолжают находить положительное воздействие обогащенной среды на мозг. Этого воздействия практически ничто не может избежать. Мозг проявлял чрезвычайно высокую пластичность, но методы того времени не позволяли по-настоящему углубиться в детали. Тем не менее, конечно, это колоссальный результат. В старых публикациях постоянно ощущается, что ученые сознавали: они нащупали фундаментальную взаимосвязь; уровень теоретической проработки и своеобразного философского осмысления был очень высоким, но в результате дело не пошло дальше любопытнейших описаний. Еще не пришло время сделать следующий шаг.

Как устроена пластичность? 70-е годы не были бы 70-ми, если бы этот вопрос не привел к возникновению сразу двух ровно противоположных с идеологической точки зрения позиций. Одна школа утверждала, что генерализованные эффекты обогащенной среды вызывает всеобъемлющее, но в конечном счете простое и неспецифическое возбуждение (arousal)[31]. Вторая школа доказывала, что речь идет о некой форме обучения. Совершенно непонятно (и не только с сегодняшних позиций), почему люди сразу не увидели, что в обеих теориях есть доля истины и они вовсе не исключают друг друга. Наоборот, повышенное внимание может быть предпосылкой для обучения, а процесс обучения, возможно, поддерживает внимание на высоком уровне.

Однако это были попытки объяснить явление с психологических позиций, они еще не касались вещества мозга и пока что могли лишь немного приподнять крышку черного ящика. Даже рассматривая следствия этой впечатляющей пластичности (термин использовали еще очень редко), ученые оказались в концептуальном тупике. С одной стороны, все изменения действительно возникали в ответ на внешние стимулы, но одновременно они выходили за рамки того, из чего состояла обогащенная среда. Очевидно, здесь было что-то еще, целое выглядело больше, чем сумма элементов, и, когда в разнообразных тестах удалось вдобавок установить рост достижений в обучении, эта генерализация эффекта все равно оставалась загадкой. По сути дела, это и сегодня так. Но мы настолько привыкли к мысли, что мозг поддается тренировке, что нас это уже совсем не удивляет. Итак, тот же вопрос: как устроена пластичность?

Переносы

Собственно, обычно этого не происходит. Печальная правда о «зарядке для мозга» и других подобных начинаниях: с их помощью можно усовершенствовать только то, что вы непосредственно тренируете. В крайнем случае это будет умение решать кроссворды, если вы практиковали его как единственную форму интенсивной умственной деятельности. Как правило, составители программ тренировок для мозга, которые можно найти в продаже, делают их более широкими. Заниматься по ним чаще всего увлекательно, они быстро приносят ощущение успеха. При этом, опять же как правило, упражняясь в одном задании, по-прежнему невозможно «заодно» добиться лучших результатов в другом типе заданий. Конечно, небольшой общий прогресс обязательно будет, и в целом привыкать к подобным упражнениям полезно. К тому же работает эффект плацебо. Знание, что вы что-то делаете для своего мозга, уже окажет положительное действие, и оно не будет ограничено отдельной областью, которую вы тренировали. К сожалению, не более того. В конце концов, настоящего успеха можно достичь только в том виде спорта, в котором человек упражнялся.

Желанная способность переносить достижения в одной дисциплине на другую, в данном случае умственные способности, называется «перенос». Данные психологии на этот счет совершенно однозначны. Эффект переноса в умственной деятельности практически не встречается.

Так что лучше сразу упражняться в том, что вы действительно хотите уметь, и не надеяться попутно достичь этого с помощью какого-то случайного тренинга. Если быть совсем точным, в контролируемых экспериментальных условиях вполне можно продемонстрировать нечто вроде такого переноса, но для этого нужна огромная тренировка. Флориану Шмидеку из Немецкого института педагогических исследований и Ульману Линденбергеру из Института развития человека Общества Макса Планка в Берлине удалось показать это в своем исследовании COGITO{35}. В ходе исследования сто испытуемых должны были в течение ста дней ежедневно тренироваться, выполняя набор одних заданий, и проходить тестирование на других. Переносы принципиально возможны, но реализовать эту возможность в обычных условиях практически нереально. Во всяком случае, не с помощью упражнений для мозга из Apotheken-Umschau[32].

С другой стороны, в спорте, конечно, тоже существует понятие общей физической подготовки, которой, может быть, и недостаточно, чтобы ставить рекорды в одиночных дисциплинах, но которая составляет некоторое общее необходимое условие успеха. Что-то подобное, очевидно, происходит и в умственной деятельности. Вероятно, обогащенная среда воздействовала на результаты тестов обучения в бесконечном количестве исследований на животных, как общий тренинг-разминка. Хорошая общая подготовка облегчает дальнейший процесс, но на ней дело не кончается.

Мозгу «полезно» работать

Фраза о том, что мозгу полезно работать, уже стала общим местом, она кажется такой же избитой, как схожая с ней пословица – «под лежачий камень вода не течет». Интуитивно это понятно. Но на самом деле совсем не так просто объяснить, почему мозг должен поддаваться тренировке. Данных огромное количество, целые книги. Многие детали неясны, но считается бесспорным, что мозгу нужно работать. Кто им не пользуется, теряет его. По статистике, хорошее образование и умственная деятельность служат определенной защитой от деменции.

Мышечная тренировка, во-первых, не дает мышцам слабеть, во-вторых, укрепляет имеющиеся мышечные волокна, в-третьих, способствует росту новых. Мускул – относительно предсказуемая система, и любой может непосредственно убедиться в том, как укрепляются предплечья, когда носишь маленьких детей по квартире на руках, и как болят мышцы после выходных, проведенных с коробками для переезда. Даже сравнительно небольшая тренировка вызывает видимые изменения.

В случае мозга же никакой мышечной боли и никаких видимых изменений нет. Можно добиться измеримого улучшения его функций, что легко показать, например, с помощью игровых программ для тренировки мозга в интернете, но воздействует ли это на сам мозг? В бихевиоризме такой вопрос считали несущественным, а аналогия с компьютером подсказывала нам, что каким-то образом (да, но каким?) должна была бы меняться эффективность программного обеспечения.

Публикации об обогащенной среде и ее воздействии на мозг связаны с этим. Если вспомнить принцип Хебба и его экспериментальное подтверждение, результаты очень убедительны. Любое обучение вызывает микроскопические структурные изменения на уровне синапсов и отростков нейронов, вдобавок это неизбежно ведет к изменениям в более крупных структурных элементах мозга. Это установили уже Мариан Даймонд и ее коллеги: кора становится настолько толще, что это можно измерить, как и прирост глиальных клеток в некоторых местах. На уровне связей, которые образуют нервные волокна, подобные структурные изменения тоже хорошо описаны. Таким образом, фундаментальную зависимость можно прекрасно обосновать экспериментами.

Но сами нервные клетки здесь оставались без внимания. Ничто не указывало на то, что мозг может формировать новые нейроны, чтобы повысить свою работоспособность, так же как в мышце растут новые волокна, чтобы она стала сильнее. Это, конечно, в большой степени остается верно и сегодня – но уже не абсолютно. Ведь, как нам теперь известно, в гиппокампе под действием опыта и деятельности образуются новые нервные клетки.

Будь то опыты на животных или нет, самые убедительные данные о пластичности мозга, которую вызывают опыт и деятельность, напрямую переносят на человека.

При этом идут большие дискуссии о том, что вообще такое обогащенная среда для человека. Для нас, в отличие от животных, это очень относительное понятие: одни испытывают перегрузку от стимуляции, которую другие едва ли заметят. Недостаточно точно определено, какие стимулы и какое поведение имеют значение. Разложить мир на единичные стимулы и учебные задания не так просто, как представляли себе бихевиористы. Кроме того, отдельные проявления поведения, будь то проактивные или возникающие как реакция на среду, невозможно отделить от общего эффекта. Так что в практических выводах из этих исследований часто присутствует некоторая неопределенность.

Самое простое – в итоге говорить об отдельном, имеющем вещественное представление параметре, который можно измерить и продемонстрировать. Этим объясняется популярность опытов с магнитно-резонансной томографией в данной области и выбор несложных, четких в планировании экспериментов, чтобы сразу можно было исключить из рассмотрения все запутанное устройство «реальной жизни». При этом говорят о редукционизме – одном из важнейших принципов, в котором кроется секрет успеха естественных наук. Впрочем, редукционизм – это палка о двух концах, поскольку, следуя ему, из условий эксперимента исключают как раз самое интересное.

Тем временем легендарное исследование провели на лондонских таксистах: в 2000 году Элеанор Магуайр и Ричард Фраковяк показали, что у кэбменов срок работы в такси коррелирует с размерами гиппокампа{36}. Это объясняли тем, что до эпохи GPS-навигаторов успех в этой профессии определялся способностью выучить сложнейшую карту лондонских улиц. Размеры врат памяти (гиппокампа) отражали колоссальные усилия по обучению (см. рис. 19 на вклейке).

Мы с Богданом Драгански и Арне Мэем, которые тогда вместе работали в Регенсбургском университете, задумались о том, можно ли наблюдать такой же эффект при обучении, не связанном напрямую с пространственной деятельностью. Они исследовали студентов-медиков до и после подготовки к первой большой аттестации – «физикуму»[33]. Результаты были очень похожи на те, что получены в случае с таксистами: гиппокамп тоже увеличивался в размере{37}. С другой стороны, известно, что, например, депрессия, при которой часто оказывается серьезно нарушена способность к обучению и запоминанию, связана с уменьшением размеров гиппокампа.

Опять гиппокамп – врата памяти!

Впрочем, аналогичные структурные изменения происходят и в других областях мозга. Конечно, их нельзя объяснить появлением новых нейронов. Да и в гиппокампе объем тканей, который мог появиться благодаря им, слишком мал, чтобы его можно было разглядеть на МРТ. Должно быть, здесь происходит что-то еще, и пока у науки нет точного ответа, что именно. Зато верно обратное: без сомнения, нейрогенез взрослых протекает в области, которая обладает высокой приспособляемостью и пластичностью. Пластичность в гиппокампе настолько велика, что, с одной стороны, ее можно измерить на МРТ, а с другой – она даже включает в себя образование новых нервных клеток. В следующей главе мы подробнее рассмотрим эту особую область мозга.

5

Морской конек в голове

Гиппокамп

Гиппокамп – это структура мозга, очень важная для тех функций, которые «делают нас людьми». Этим отчасти объясняется особый интерес к нему. Кроме того, многие исследователи мозга с удовольствием обращаются к гиппокампу, потому что, несмотря на очевидно большое значение, строение у него довольно простое, и, следовательно, он относительно легко поддается изучению (в отличие от новой коры головного мозга).

Это постоянно вызывает упреки в предвзятости. Мол, конечно, исследователи предпочитают то, что попроще. Они скорее станут искать ключ под фонарем, где светло, а не на темном крыльце, где он упал. Якобы такие исследования обоснованы доступностью средств, а не своим истинным значением. Иронизируя, говорят, что ученых легко ввести во искушение.

Но ведь значение гиппокампа – это не выдумка и не что-то, высосанное из пальца.

Гиппокамп – это участок коры, расположенный в обоих полушариях мозга, у людей довольно маленький. Мы уже несколько раз называли его вратами памяти. По своим абсолютным размерам у человека эти врата весьма велики, но относительно преобладающего отдела коры головного мозга, неокортекса, очень малы. У млекопитающих, которые не располагают такой большой складчатой корой, как мы, относительные размеры гиппокампа больше (см. рис. 22 на вклейке).

Размер явно говорит о значении: буквально все, что мы запоминаем или можем выразить словами, так называемая декларативная память, нужно обработать в гиппокампе, чтобы сделать пригодным для хранения. Конечно, животные словами ничего не выражают, но у них декларативная память тоже есть. Ее можно было бы также назвать «фактической памятью». Ей противопоставляют, например, так называемую процедурную память: чтобы научиться чистить зубы или ездить на велосипеде, нужно наблюдать и пробовать, а не получать теоретические инструкции и объяснения. Процедурная память действует независимо от гиппокампа.

H.M.

В сокращении H.M. исследователи мозга узнают инициалы одного из самых знаменитых пациентов за всю историю медицины. Мы уже встречались с ним в первой главе. Благодаря его судьбе мы получили ценнейшие сведения о том, каким образом действует наша память и какую роль при этом играет гиппокамп. История H. M. многократно описана в научных и популярных текстах. Возможно, в этом месте многие читатели подавят зевок. Но скука может оказаться преждевременной: мимо H.M. пройти нельзя, хотя то, что без него, как порою кажется или как это пытаются представить, мы бы совсем ничего не знали, не вполне верно. Скорее его волнующая история позволила нашим знаниям кристаллизоваться и дала толчок массе разнообразных последствий. Позже нашли и исследовали множество других пациентов с аналогичными симптомами. В опытах на животных удалось в точности воспроизвести и проанализировать то, что же произошло с H.M. и его товарищами по несчастью.

Генри Молисон – это его полное имя – страдал от практически неконтролируемой эпилепсии, очаг которой находился в гиппокампе. Постоянные приступы настолько мучили его и сделали его жизнь такой невыносимой, что в 1953 году врачи решились на героический, невиданный шаг. Ему хирургически удалили участки гиппокампа с обеих сторон. Приступы действительно прекратились, но за это пришлось заплатить ужасную цену: отныне H.M. больше не мог ничего запомнить. Точнее, он больше не мог запомнить ничего декларативного. Он жил в вечном сегодня и помнил только то время, которое закончилось за несколько недель до хирургического вмешательства. То, что он пережил в эти недели, но воспоминания о чем его гиппокамп, так сказать, еще не успел консолидировать, тоже оказалось утрачено. Вдобавок в его конкретном случае этот пробел перед операцией со временем увеличился и в конце концов распространился на 11 лет. Сегодня мы знаем, что его ретроградная амнезия с хирургическим вмешательством связана не была, в отличие от той, в результате которой он забыл последующий промежуток времени. Врата памяти закрылись навсегда.

H.M. единодушно описывают как очень дружелюбного, открытого человека. Но каждую встречу с исследователями, которые желали его изучать, он переживал как первую. Повторение не вызывало у него скуку, ведь он не знал, что это повторение. Публикаций о нем великое множество, потому что он всегда был готов пойти навстречу.

Произведший операцию нейрохирург Уильям Бичер Сковилл из Хартфорда был человеком смелым, но не легкомысленным. Тогда еще ничего не знали о том, что гиппокамп необходим для обучения и памяти. После операции H.M. передали легендарному нейрохирургу Уайлдеру Пенфилду, который изучал пациента вместе с нейропсихологом Брендой Милнер и обнародовал данные о его проблеме и о функции гиппокампа. Впоследствии Генри Молисона тщательно исследовали и другие ученые. Конечно, больше таких операций не проводили. Но встречаются иные ситуации (пусть и нечасто), когда не действует ни один из гиппокампов и возникают симптомы, похожие на симптомы H.M.

«Помни»

Чтобы примерно представить себе, как может выглядеть жизнь без декларативной памяти (правда, в очень острой форме), следует посмотреть грандиозный триллер Кристофера Нолана «Помни». В фильме речь идет о человеке, который оказался в положении H.M. и не может запомнить ничего нового. Но помимо этого он находится еще и в непонятной, угрожающей жизни ситуации. С помощью хитроумной системы напоминаний, от наклеек Post-it до татуировок, он пытается каким-то образом восстановить события и вспомнить свою жизнь. Действие фильма разворачивается в обратном порядке. Каждый раз зритель по кусочкам узнает, что случилось до этого, и становится свидетелем фатальных недоразумений, которые возникают, когда человек больше не может запоминать. Или все-таки нет? Эта чрезвычайно запутанная история так и остается до конца не разгаданной, фильм избегает однозначных трактовок и показывает, что сам главный герой (в прекрасном исполнении Гая Пирса) вообще ничего не знает об этой взрывной реакции и совершенно не улавливает ее. Тот, кто живет в постоянном «сейчас», остается недееспособен, даже действуя.

Фильм «Помни» удивительно хорошо передает суть дела. В интернете, разумеется, можно найти пространные обсуждения предполагаемых ошибок и нестыковок, но Голливуду крайне редко делают уступки. В конце концов, дело не в деталях. Фильм прекрасно показывает, как сильно наше функционирование и выживание в этом мире зависит от памяти. Пациентам, подобным H.M., необходима защита и большая забота, чтобы они могли вести безопасную и спокойную жизнь.

Фильм снят в жанре триллера, но это, конечно, драматургический прием. Человек без памяти страдает не от мнимых или реальных заговоров, подобных изображенному на экране, а в гораздо большей степени от собственного простодушия и неспособности, исходя из опыта прошлого, принимать решения о будущем.

Те же проблемы возникают на разных стадиях деменции, поскольку многие ее формы рано или поздно затрагивают гиппокамп. При болезни Альцгеймера это даже, как правило, происходит сравнительно рано. Есть печальная истина в циничном высказывании, согласно которому болезнь Альцгеймера прекрасна, потому что каждый день знакомишься с новыми людьми. Впрочем, из этого также следует, что больной на этой стадии милосердно избавлен от осознания собственного положения во всей полноте. В этом случае от деменции в первую очередь страдают родственники больного, которые живут не только настоящим и которым приходится порою испытывать невыносимое напряжение от утраты общего жизненного контекста.

Таким образом, гиппокамп – это не просто область мозга, которая нам нужна, чтобы хранить воспоминания. Поскольку последние необходимы для планирования будущих действий и прогнозирования, он также имеет решающее значение для нашей самостоятельности.

Поскольку личность человека в существенной мере определяется его жизненной историей, и мы буквально состоим из собственных воспоминаний и опыта, потеря гиппокампа (с обеих сторон) также сказывается на нашем «я». Августа Д., пациентка, у которой Алоис Альцгеймер впервые описал названное его именем расстройство, выразила это знаменитой фразой: «Я потеряла сама себя». Гиппокамп необходим для автобиографической памяти.

Более простое строение

Базовое строение гиппокампа очень простое: он состоит из одного нервного пути и трех «станций коммутации». Первая из них – это зубчатая извилина, в которой протекает нейрогенез взрослых и которая, можно сказать, действует как первая станция обработки. Здесь входящий поток информации делится на составляющие, чтобы те не стояли друг у друга на пути и не путались между собой, здесь же они получают некую отметку о времени и месте, а также эмоциональную окраску. То, с чем связана какая-то эмоция, запоминается лучше. Вещи, которые нас не интересуют, приходится мучительно зубрить. Таким образом, можно сказать, что зубчатая извилина создает для информации контекст (см. рис. 20 на вклейке).

Следующий блок носит прозаическое название CA3, но за этим обозначением кроется поэзия. CA на самом деле значит Cornu Ammonis – бараний рог, потому что гиппокамп напоминал анатомам прошлого, наделенным богатой фантазией и искушенным в классической филологии, бараний рог египетского бога Амона-Ра.

CA3 – это своего рода промежуточное хранилище информации. Отсюда она отправляется в область CA1, где, вероятно, формируется собственно воспоминание, которое затем будет перезаписано в новую кору – накопительное устройство.

Информация может поступать в гиппокамп из всевозможных источников: из всех органов чувств и областей мозга, которые перерабатывают чувственные ощущения, а также из самого хранилища воспоминаний. Обучение и вспоминание тесно связаны, особенно в гиппокампе. Когда мы вспоминаем, соответствующий материал проходит через гиппокамп заново. Может измениться информация о контексте, но само воспоминание тоже уязвимо. Всем знакомы истории, которые каждый раз, как их рассказывают, становятся лучше, причем сам рассказчик этого не осознает. Воспоминания действительно меняются. Это составляет проблему, когда перед судом повторяют свидетельские показания. Историю все сильнее подгоняют под новый контекст. Гиппокамп не хранит воспоминания, а создает их.

Но при чем тут новые нервные клетки? Они располагаются в одном-единственном месте этой простой на вид сети: укрепляют соединения между зубчатой извилиной и CA3. Такие соединения называют мшистыми волокнами, и они уже очень давно известны своей чрезвычайно высокой пластичностью. Однако долгое время это свойство приписывали лишь самим связям, а вовсе не клеткам, от которых тянутся волокна.

Конечно, понятие «сеть» для такой простой последовательности «станций» можно использовать лишь с большой натяжкой. Зачем гиппокампу укреплять в цепочке эту единственную связь, но не другие?

В первую очередь, сеть в гиппокампе значительно сложнее, чем изображает упрощенная схема. Из всех прочих связей, которые здесь есть, необходимо упомянуть прямое соединение между входом в гиппокамп и CA3. Оно идет полностью в обход зубчатой извилины. Удавалось провести измерения, согласно которым информация также быстрее попадает в CA3 по этому прямому пути, чем через зубчатую извилину. Значит, нейроны при нейрогенезе взрослых возникают, чтобы создать более медленное соединение, чем уже существующее. Что это дает?

Илл. 21. Анатомы и патологи прошлого с удовольствием демонстрировали свою немалую образованность и творческие способности. Изогнутая форма гиппокампа напомнила им не просто бараний рог, а бараний рог египетского бога Амона-Ра

Загадочная зубчатая извилина

Чтобы приблизиться к разгадке, нужно учесть, что зубчатая извилина, по-видимому, во многом служит отличительной чертой млекопитающих. У других животных, которых мы, все из себя высокоразвитые, высокомерно называем «низшими», может быть своего рода гиппокамп; но зубчатой извилины в том виде, в котором она есть у нас, у них нет.

Я предполагаю, что у нас зубчатая извилина так эффективно функционирует, потому что может использовать нейрогенез взрослых. У других животных, например у рыб и птиц, в мозге можно найти образование, которое напоминает наш гиппокамп и выполняет похожие функции, но то, что у них соответствует зубчатой извилине, все же выглядит совершенно иначе и, насколько нам известно, имеет иную структуру связей. У взрослых рыб и птиц в гиппокампе тоже возникают новые нейроны, но границы этого процесса значительно более размыты, он распределен по всему пространству и не похож на строго ограниченный, высокоспециализированный нейрогенез взрослых, в результате которого у нас, млекопитающих, образуются исключительно зернистые клетки зубчатой извилины. Вероятно, эта разница имеет решающее значение.

Вероятно, у современных птиц мы наблюдаем еще очень древнюю картину, возможно, в том виде, в котором она присутствовала у нашего с ними общего предка. Позже, у млекопитающих, эта размытая способность сфокусировалась, и сформировалась некая подструктура, на тот момент, конечно, не то чтобы бессмысленная, но и не имеющая решающего значения; ей была приписана новая функция. Таким образом, ключ к пониманию нейрогенеза взрослых может крыться в сравнениях между разными видами животных.

Пока, Флиппер!

В животном мире у нас большую симпатию вызывают дельфины[34], возможно, потому, что, как мы помним, им вместе с певчими птицами и человеком приходится учиться звукообразованию, и, таким образом, у них есть нечто, в широком смысле похожее на речь.

Кроме того, дельфины слывут особенно умными животными. Это не очень просто проверить и доказать, ведь уровень интеллекта определяют с помощью тестов. Как гласит классическая фраза, «интеллект – это то, что измеряют тестом на интеллект». Нет общего определения, которое не зависело бы от проверяемых показателей. Это составляет проблему, даже когда сравнивают просто очень разных людей, а тем более если вы решились на сравнение между видами. В конце концов, это не наша тема, но интеллект связан с памятью и способностью к обучению, а значит, здесь недалеко до гиппокампа. Интеллект – это точно не его функция, но нельзя исключить гиппокамп из ее рассмотрения.

У страдавшего эпилепсией H.M. интеллект был нормальный, даже чуть выше среднего, но, несмотря на это, в повседневной жизни он полностью зависел от поддержки окружающих. Это говорит только о том, что в быту интеллектом называют не всегда то же самое, что под этим понятием подразумевают в науке.

В любом случае удивительно в дельфинах то, что гиппокамп у них крошечный. Южноафриканский нейроанатом Пол Мангер провел крупнейшее межвидовое сравнение нейрогенеза взрослых в гиппокампе у дельфинов и многих других видов. Хотя в его распоряжении были только косвенные маркеры, такие как даблкортин, поскольку эксперименты с БДУ в естественной среде обитания проводить очень сложно, общая картина его результатов непротиворечива. Он обнаружил признаки нейрогенеза взрослых в гиппокампе всех исследованных видов млекопитающих (включая летучих мышей, о которых ранее шли некоторые дискуссии), кроме морских, таких как киты и дельфины.

Почему это так, совершенно непонятно. Причем вообще не важно, значит ли это, что дельфины не такие умные, как о них говорят. Но результат, конечно, любопытный. В первую очередь интересно, что абсолютно все остальные млекопитающие демонстрируют нейрогенез взрослых в зубчатой извилине. Значит, этот процесс на самом деле не такой уж экзотический и свойственен не только человеку.

Может быть, жизнь морских млекопитающих в корне отличается от нашей, и они сталкиваются с принципиально другими когнитивными задачами – настолько, что зубчатая извилина и нейрогенез взрослых им не нужны? Этот был бы очень сомнительный аргумент, потому что, вероятно, дельфинам и китам новые нейроны в гиппокампе тоже пригодились бы, если бы они у них были. Просто в их случае эволюция пошла по такому пути, что сегодня им это недоступно. И все же это различие поразительно и, возможно, указывает, для решения каких задач нейрогенез взрослых имеет особую ценность.

Ирмгард Амрайн, нейроанатом из Цюриха, очень глубоко погрузилась в этот вопрос и пытается с помощью чрезвычайно сложных исследований на диких мышах и других живущих на воле грызунах, лисах и летучих мышах показать, для чего нейрогенез взрослых нужен за пределами лаборатории. Одним из важнейших выводов из ее работ может быть то, что новые нервные клетки нельзя объяснить простой моделью. Различия между видами огромны, по-видимому, практически у каждого из них свои особенности. Значит, здесь тоже есть пластичность. Хотя, возможно, с этим стоило бы повременить.

Итак, здесь мы подошли к той части истории, когда нейрогенезу взрослых в общем и целом нашлось место. В следующей главе речь пойдет о том, может ли все же за этим стоять еще что-то большее. Ученые долгое время игнорировали это явление, несмотря на то что его значение впоследствии оказалось бесспорным. Может быть, в других местах мы были еще более слепы? Что, если нейрогенез взрослых в обонятельном мозге и гиппокампе – это только верхушка айсберга? Не узнаем ли мы еще больше при ближайшем рассмотрении?

6

Что дальше? Зоны нейрогенеза

Нейрогенез взрослых в других областях мозга

Инертность общественного мнения может быть здоровой: конечно, нет ничего хорошего в том, чтобы сломя голову кидаться за каждой новой идеей. Так, первоначальную консервативность и неприятие нейрогенеза взрослых местами сменил бездумный энтузиазм. То этого явления не существовало и вообще не могло существовать, а то многие вдруг стали видеть его везде. Голые факты, вообще-то, говорили об обратном, но эти открытия сразу стали считать гигантским шагом в сторону излечения неврологических и психиатрических заболеваний.

Вот только в порыве находить теперь новые нейроны повсюду каким-то образом упустили из виду, что после открытий Альтмана и его последователей мозг не стал регенерировать лучше, чем до них. Если бы клетки были настолько склонны к регенерации, как предполагали эти люди, действие нейрогенеза взрослых должно было бы проявиться раньше, чем мы узнали о нем.

Сообщения о новых зонах нейрогенеза в мозге взрослых в течение некоторого времени буквально шли одно за другим. Правда, чаще всего за ними стояли попытки выявить новые нейроны, весьма сомнительные в методическом плане. Так, исследователи регулярно недооценивали сложность флуоресцентной микроскопии. Альтман и Каплан тоже предполагали, что в зрительной коре есть область нейрогенеза, и это не подтвердилось. Но они свою ошибку допустили не по небрежности и не по глупости – она была из тех, что подчиняются закону нормального распределения и неизбежны в научном познании. Все же в какой-то момент накапливается достаточно опыта, чтобы проявлять здоровый скепсис и не позволять себе слепо увлекаться вдохновляющей идеей.

Было множество других подобных сообщений, например о нейрогенезе в Substantia nigra – области мозга, которую за необычный цвет ее нейронов называют «черной субстанцией». Прежде всего она известна тем, что первой страдает при болезни Паркинсона. Встречались новые сообщения о подотделе гиппокампа CA1. Но самый большой спор разгорелся вокруг того, могут ли новые нейроны во взрослом возрасте формироваться в неокортексе.

Элизабет Гульд, которой принадлежит повторное открытие нейрогенеза взрослых в гиппокампе, в 1997 году сообщила, что нашла новые нейроны в неокортексе у обезьян. К сожалению, в ее работе был продемонстрирован один-единственный новый нейрон, что в конечном итоге оказалось не слишком убедительно. Однако исследование также содержало явные признаки блуждающих клеток и задевало за живое. Отношение к нейрогенезу взрослых очень долго оставалось скептическим, зато теперь, по-видимому, пали все барьеры. Наверное, многим хотелось думать, что все устроено совершенно не так, как считалось раньше (особенно у приматов). Работа Эрикссона по нейрогенезу взрослых у человека тогда еще не вышла.

Госпожу Гульд, с которой случилось то же самое и которая приняла желаемое за действительное, легко понять. Не стоит смотреть на нее свысока. Распознать подобную ситуацию постфактум значительно легче, чем изнутри. Впрочем, тогда тоже было высказано много критики. Доказательная база была слабой.

Последовавшие за этим дискуссии несколько затуманили взгляд ученых и отвлекли их от очевидной мысли, что здесь должно было быть «что-то» (пусть и не новые нейроны), что исследователи приняли за нейрогенез взрослых. Это было чрезвычайно интересно. Но сначала все затмило собой разочарование.

Где есть нейрогенез и где его нет

В мозге есть области, где могут появляться новые нервные клетки (зоны нейрогенеза), и области, где этого не происходит. Интересен вопрос, чем, собственно, первые отличаются от вторых. А те из медиков, которым свойственны настроения от идеалистических до утопических, любопытствуют, нельзя ли превратить вторые в первые.

В любом случае все это связано не только со стволовыми клетками – то, о чем пойдет речь ниже, выяснилось в экспериментах по трансплантации. Если соответствующие стволовые клетки подсадить в зону нейрогенеза, из них могут получиться нейроны; но за пределами таких зон это невозможно. Таким образом, чтобы стволовые клетки превратились в нервные, требуется какое-то участие окружающей их среды.

В мозге взрослого организма наряду с гиппокампом есть еще одна зона нейрогенеза, на самом деле значительно более примечательная, которая в больших количествах производит новые нейроны для обонятельной луковицы.

У человека новые нервные клетки, предназначенные для обоняния, прекращают формироваться довольно рано. Возможно, это происходит потому, что, например, по сравнению с собаками или грызунами, у людей очень слабый нюх, и мы строим свою «картину» мира в первую очередь с помощью зрения, а не носа. Так что такой вид нейрогенеза касается нас несколько меньше. Соответственно, ниже и научный интерес к этой его форме, чем к гиппокампу с его центральным значением для процессов обучения и запоминания, а значит, и для высшей когнитивной деятельности человека.

С другой стороны, существует предположение, что в этой второй зоне нейрогенеза есть клетки, которые могли бы в случае повреждений обеспечивать хотя бы минимальную регенерацию, и это, в свою очередь, подогревает интерес к ним. По крайней мере, их можно использовать, чтобы удовлетворять далеко идущие амбиции медицины. На первый взгляд, это противоречит тому, что мы постоянно утверждали до сих пор: мозг не регенерирует. В целом это по-прежнему верно, так что повода для большой эйфории нет, но все же налицо минимальные зачатки процессов, которые можно считать регенеративными. Пусть даже никто не знает наверняка, действительно ли их смысл именно в этом. Таким образом, следует четко различать новые нейроны, которые встречаются в обычных условиях, и те, что можно видеть лишь после повреждений.

Для начала рассмотрим условия здорового организма. В этом случае в мозге млекопитающих, как уже было сказано, обычно можно найти две зоны нейрогенеза.

Обоняние

С помощью обоняния мы воспринимаем химические вещества в окружающей среде. Эволюционно это чувство считается древним, возможно, первым, самым старым. Если угодно, даже у одноклеточных организмов есть химическое восприятие, они способны подстраивать свой ограниченный репертуар поведения в соответствии с информацией о конкретных химических соединениях в окружающей среде.

У многих видов животных обоняние – это доминирующий канал для получения информации о мире. У собак, которые, как легко убедиться, работают носом постоянно, и у многих грызунов обонятельный мозг имеет огромные размеры по сравнению с другими частями мозга. У человека, напротив, нюх очень слабый. Нас называют микросматиками. Наши обонятельные луковицы сравнительно маленькие[35], среди чувств доминирует зрение.

Когда говорят, что мышь, собака или даже бактерия нюхает, это не значит, что животное при этом испытывает то же самое, что и мы. Сложно сказать, пахнет ли для мыши ваниль ванилью; это даже крайне маловероятно. Более того, мы не можем утверждать, что ваниль пахнет одинаково для двух разных людей. В конце концов, нельзя напрямую заглянуть в восприятие другого существа, и нам приходится довольствоваться описаниями, чтобы определить, действительно ли два человека, вдыхающие запах Chanel No. 5, ощущают одно и то же. Сегодня такие описания подкрепляют всевозможными физиологическими методами измерения, но они не решают самую главную проблему: субъективное невозможно сделать объективным. Это так называемая проблема квалиа, старая и неразрешимая. Главное, что, когда мы нюхаем, у нас возникают одинаковые или хотя бы очень похожие ассоциации. Они зафиксированы генетически и очень устойчивы в эволюции, их разделяют с нами многие животные. Таким образом, хотя мы и не знаем, как мышь ощущает запах, но знаем, что она может соответствующим образом отреагировать на него.

Хотите верьте, хотите нет, но 800 из наших генов отведены на формирование обонятельных рецепторов (это около 4 %). У мыши таких генов целых 1400. Каждому химическому соединению, запах которого мы способны почувствовать, соответствует свой рецептор, а для смешанных запахов их используется несколько. И наоборот, мы не воспринимаем соединения, рецепторами для которых эволюция нас не снабдила. Например, мы не чувствуем запах ядовитого угарного газа, поэтому он такой опасный.

Обонятельные рецепторы расположены на слизистой оболочке в верхней части носовой полости, где они образуют пеструю мозаику. Обладающие запахом вещества попадают в слизь и передаются сюда. Соприкасаясь с рецептором, пахучая молекула возбуждает рецепторную клетку, которая посылает сигнал в мозг, а точнее, в обонятельную луковицу.

У обонятельной луковицы совершенно понятное и довольно простое строение. Здесь есть внешний слой, где вплотную друг к другу расположены сферические центры соединений, так называемые гломерулы. В них происходит первичная обработка сигнала. Отсюда информация передается дальше, в центры обонятельного мозга. Уже на второй станции (в пириформной коре) находится важное ответвление, ведущее в гиппокамп.

Дальше информация поступает в центры, где мы используем ее уже неосознанно. Многие из обусловленных запахом реакций устарели, но это не значит, что они не имеют значения для поступков, в которых ничего устаревшего нет.

Всем понятно, что мы выбираем по запаху еду. Вкус – это отдельное чувство, но во многом оно совпадает с обонянием. Оба этих чувства химические, и собственно вкусовые ощущения дифференцированы слабо. С обонянием связано наше восприятие тонких вкусов, таких как вкус вина.

Мы отчасти выбираем по запаху партнера, как сознательно, так и бессознательно. Мы также говорим, что хорошо «принюхались» к человеку. У животных пахучие вещества относятся к важнейшим сигналам, определяющим брачное поведение. Известно, что выделения мускусного быка воздействуют и на другие виды.

В результате замечательного психологического эксперимента ученому Кваме Энтони Аппиа удалось показать, что люди охотнее помогают незнакомцам, когда чувствуют запах свежих булочек из пекарни. Во всяком случае, охотнее, чем в месте, где запах нейтральный. Это много говорит о наших моральных принципах, но не меньше – о фундаментальном значении обоняния.

Конечно, производители различных товаров давно уже знают о силе этого чувства и пользуются ею, чтобы заставить нас купить еще один большой бургер или не дать нам устоять перед интерьером нового Audi. Запахи влияют на ваши решения, какими бы рациональными вы их ни считали. Причем это верно даже для человека, с его сравнительно слабым обонянием. У собак и грызунов весь мир состоит из запахов с небольшими примесями зрения, осязания, ощущения баланса и так далее. Опасность в том, что, поскольку зрение у нас доминирует, мы не осознаем той власти, которую над нами имеют запахи.

Для нас все это интересно тем, что в обонятельной системе протекает нейрогенез взрослых. На самом деле такой его род наиболее распространен у всех видов животных (постольку, поскольку они исследованы).

Собственно говоря, в обонятельной системе нейрогенез есть у всех видов. Началось все опять же с крыс, и здесь первым, кто это доказал, в 1969 году снова стал Джозеф Альтман. Но у людей нейрогенез взрослых в обонятельной луковице или вовсе отсутствует, или настолько слаб, что продемонстрировать его не удается. Задатки для него были и у нас, так что мы не совсем выбиваемся из строя. Далее читатель увидит, что потенциал, который несут в себе стволовые клетки данной системы, человек всегда или почти всегда использует для иных целей, чем нейрогенез в обонятельной луковице. Возможно, он нам не нужен, потому что мы мало опираемся на нюх, чтобы получить представление о мире.

Нейрогенез в слизистой оболочке носа

Если быть совсем точным, есть целых две зоны нейрогенеза, связанные с обонянием. Одна – в самой обонятельной зоне слизистой оболочки, где на протяжении всей жизни образуются новые рецепторные клетки (то есть клетки, которые непосредственно контактируют с пахучими веществами и «распознают» их), вторая – в обонятельной луковице. Обонятельная слизистая оболочка находится за пределами черепа и мозга; она относится к «периферической нервной системе». Поэтому, когда говорят о нейрогенезе взрослых, ее учитывают лишь наполовину.

Термин «нейрогенез взрослых» в узком смысле распространяется только на центральную нервную систему. Очевидно, то, что на периферии нейрогенез протекает на протяжении всей жизни, не так удивительно. В обонятельной слизистой оболочке это происходит и у человека, мы слабы лишь в центральном нейрогенезе клеток обонятельной луковицы.

Предполагается, что нейрогенез взрослых в обонятельном эпителии служит для замены поврежденных рецепторных нейронов. Согласно этой гипотезе, сами клетки уязвимы, потому что открыты к контакту с химическими сигналами окружающей среды. Точно так же более чуткие люди сильнее страдают от обиды. Чтобы постоянное взаимодействие с неизвестными веществами не вызывало проблем, лучше регулярно заменять клетки, пока они не испортились. Не секрет, что в подобных случаях природа беспощадна. Впрочем, мы поступаем так же, когда обслуживаем самолеты. Никто не ждет, когда расходная деталь износится настолько, чтобы отвалиться посреди Атлантического океана, для верности ее заменяют заранее, через регулярные промежутки времени. Неизвестно, действительно ли эта стратегия служит исчерпывающим объяснением высокому расходу нейронов в обонятельной слизистой оболочке, но идея убедительна и, скорее всего, хотя бы отчасти верна.

Каждая гломерула обонятельной луковицы соответствует своему отдельному «запаху», точнее, отвечает за отдельное доступное восприятию химическое соединение. Это означает, что отростки всех рецепторов, которые распознают одну и ту же молекулу, должны направляться в одну и ту же гломерулу. Аксоном называют отросток, который исходит из нейрона и переносит информацию к другим клеткам (чаще всего у каждой клетки один аксон). Похожие на антенну отростки, которые принимают сигнал и проводят его к телу клетки, называются дендриты. У рецепторных нейронов нет дендритов, но есть аксоны, которые должны достигать правильных гломерул. Как это работает, пока что во многом загадка. На тысячи запахов существует много тысяч рецепторных клеток, и опять же в каждый момент времени часть из них обновляется. Естественно, ни одна рецепторная клетка не «знает», где находится соответствующая ей гломерула. Собственно, в результате аксоны должны были бы прорастать друг через друга, создавая ужасный хаос. Но, очевидно, этого не происходит.

Нейрогенез взрослых в обонятельном эпителии протекает не в глубине мозга, а на поверхности. В принципе, его можно увидеть снаружи с помощью соответствующего оптического прибора – по крайней мере, отоларингологам это доступно. Для врача также не составит особых проблем взять небольшую пробу ткани со слизистой оболочки обонятельного эпителия, чтобы подробнее исследовать процесс нейрогенеза взрослых.

Изолировав такие клетки, удалось показать, что в обонятельной слизистой оболочке стволовые клетки действительно есть. Одно время это очень волновало ученых, поскольку казалось, что это более простой способ получить человеческие стволовые клетки. Однако, как мы уже говорили, к сожалению, они относятся к периферической, а не к центральной нервной системе. Они ведут себя совершенно иначе, чем их двоюродные сестры в черепе. Тем не менее, конечно, ученые спрашивали себя, в какой степени стволовые клетки периферической системы все же могут быть репрезентативны для клеток головного мозга. В конце концов, двоюродные сестры – довольно близкие родственники. Если бы они были достаточно похожи, благодаря доступности первых их можно было бы использовать как некое окно в развивающийся мозг, в том числе чтобы на ранних стадиях выявлять заболевания и патологии развития. Здесь были бы далеко идущие последствия, потому что тогда пациент мог бы без особых сложностей самостоятельно предоставить клеточную модель своего заболевания. Используя свойства стволовых клеток, можно было бы вырастить клеточную культуру собственных нейронов пациента. Затем по ним можно было бы исследовать болезнь и, возможно, даже разработать индивидуальное лечение.

Такова была теория. Большой фурор произвела попытка диагностировать шизофрению с помощью биопсии слизистой оболочки носа. Хотя сегодня это расстройство действительно считают неким нарушением развития мозга, данной аналогии недостаточно, чтобы его можно было исследовать таким косвенным способом. Развитие само по себе – уже достаточно сложная вещь. То его предполагаемое нарушение, которое лежит в основе шизофрении и о котором пока мало что понятно, должно быть еще гораздо сложнее. Так что не стоит возлагать слишком большие надежды на эту стратегию персонализированной медицины. С другой стороны, вполне возможно, что стволовые клетки слизистой оболочки носа будут полезны в исследованиях с менее амбициозными целями. В последнее время, впрочем, страсти вокруг них несколько улеглись, поскольку индукция плюрипотентных стволовых клеток обещает в этом плане быть значительно более эффективной (см. раздел «Небольшой экскурс: спор о стволовых клетках»).

К сожалению, в принципе, хотя у периферической и центральной нервных систем много общего, в первую очередь они демонстрируют фундаментальные различия. На ранних этапах они развиваются в большой степени независимо друг от друга из совершенно разных частей эмбриона, и только позже их нервные клетки вновь соединяются между собой. Можно привести аналогию из экономики: в любом концерне для главного офиса имеет решающее значение связь с торговыми представительствами. Но в каждой фирме знают, что представительство и центральный офис – это два разных мира, даже если они выросли из одной и той же бизнес-идеи.

Также очень интересны глиальные клетки этого отдела. Они отлично регенерируют и способны содействовать росту аксонов. Это вполне понятно из всего сказанного выше. Такие глиальные клетки пересаживали, чтобы стимулировать регенерацию (хотя и не нейрогенез взрослых) после травм спинного мозга. Проведя многообещающие исследования на животных, эту стратегию уже использовали на человеке. В последние годы широко освещался случай пациента Дарека Фидыки, первого из людей, которому достоверно помогла пересадка такого рода. Не то чтобы «достоверность» тут не вызывала никаких вопросов, поскольку этот единственный случай, конечно, сравнивать не с чем и нет никакой возможности оценить, каким было бы спонтанное развитие состояния. Мы не знаем, что происходит в месте пересадки. Пациенту совершенно все равно, но ученых останавливает это N=1 (размер выборки, равный 1). Не хотелось бы безосновательно давать надежду другим. Тем не менее этот случай вписывается в картину высокого уровня пластичности в обонятельной луковице. В данном случае даже у человека…

Новые нервные клетки для обонятельной луковицы

Нейрогенез взрослых в обонятельной луковице протекает в центральной нервной системе, после того как каналы связи от обонятельных клеток в слизистой оболочке достигнут внутренней части черепа через отверстия в верхней части носовой полости. При этом новые клетки заменяют или дополняют собой так называемые «интернейроны». «Интер-» означает «между», то есть это те нейроны, которые помещаются между другими.

В первый момент это кажется чем-то тривиальным, чем-то, что должно быть верно для всех нервных клеток в нейронной сети. Однако существует два больших класса нейронов. Первый – это те, из которых собственно строится сеть и которые, как правило, оказывают возбуждающее действие на следующие в цепочке клетки. Второй – это в основном тормозящие интернейроны, которые уточняют и модулируют действие сети. Например, типичная функция интернейрона состоит в том, чтобы обеспечивать после сигнала короткую паузу, благодаря которой удается различать отдельные сигналы между клетками. Такие чередования возбуждения и торможения очень сложны и лишь отчасти расшифрованы в немногих областях мозга. К числу последних принадлежит и обонятельная луковица, поскольку ее структура относительно проста. Но даже здесь есть как минимум семь или восемь различных типов интернейронов, которые обеспечивают деятельность сети.

В головном мозге все это совершенно невозможно объять. Чрезвычайно спорный гигантский исследовательский проект ЕС с миллиардным финансированием, The Human Brain Project («Человеческий мозг»), ставит перед собой амбициозную цель: смоделировать крошечный участок новой коры головного мозга и понять, как в этой сети обрабатываются данные. Задача колоссальна, и не в последнюю очередь потому, что неясно, сколько можно выделить типов нейронов и как они связаны между собой. С этой точки зрения, пожалуй, очень хорошо, что хотя бы нейрогенеза взрослых в новой коре нет.

Однако в обонятельной луковице новые интернейроны различных типов образуются в самых разных местах; возможно, с учетом постоянно изменяющихся связей с обонятельной слизистой оболочкой, таким образом можно поддерживать стабильные функциональные условия. Или это происходит в силу какой-то особой дополнительной функции, совершенно от этого независимой. Французский исследователь Пьер Мари Льедо полностью посвятил себя тому, чтобы прояснить эту функцию новых нейронов в обонятельной луковице. Например, он, как и другие ученые, установил, что новые нервные клетки помогают лучше различать похожие запахи.

Субвентрикулярная зона

Большинство исследователей нейрогенеза взрослых в обонятельном мозге на самом деле не так уж интересуются обонянием. Их занимает совершенно другой аспект.

На научном жаргоне обычно говорят вовсе не о нейрогенезе в обонятельной луковице, а о «SVZ» (несколько расплывчато). За этим сокращением стоит название «субвентрикулярная зона», а это не что иное, как место в стене мозгового желудочка, где размещаются стволовые клетки и происходит нейрогенез.

Артуро Альварес-Буйлья работал у Фернандо Ноттебома, но уже в начале 90-х годов переключился с канареек на мышей и стал самым терпеливым и дотошным исследователем строения мозговых желудочков у взрослых особей. Вместе со своим коллегой Карлосом Лоисом он обнаружил, что формирующиеся в субвентрикулярной зоне нейроны постоянным потоком тянутся в обонятельную луковицу и при этом пользуются совершенно особым способом перемещения. Их движение называют «цепной миграцией», потому что новые, еще незрелые клетки выстраиваются небольшими группками и постоянно используют друг друга в качестве направляющей структуры, как в чехарде.

Из полости мозгового желудочка, где протекает нейрогенез и которая во время развития эмбриона, конечно, выглядит еще несколько иначе, образуется вся кора головного мозга. Поэтому здесь нейрогенез взрослых – это продолжение процесса, который имел место в эмбриональном развитии. Здесь образуются не только новые нейроны, но и олигодендроциты – глиальные клетки, основная функция которых – создавать некий изолирующий слой и повышать пропускную способность нервных волокон. Сам по себе этот процесс во многом протекает независимо от нейрогенеза взрослых, но затрагивает ту же полость. Олигодендроциты тоже формируются на протяжении всей жизни. Пересечения этих двух процессов и возможность того, что у них одни и те же корни, сильно подогревают фантазию ученых. Что, если у клеток-предшественниц олигодендроцитов тоже есть потенциал для образования нейронов? К сожалению, пока что на это не похоже. Впрочем, это не должно умалять интереса к OPC (oligodendrocyte precursor cells – олигодендроцитным клеткам-предшественницам, как их называют ученые).

Альварес-Буйлья и его коллеги разобрали субвентрикулярную зону до основания, чтобы узнать, как устроена ее микроструктура. Они обнаружили, что клетки-предшественницы и другие клетки в стенке желудочка расположены в очень сложном порядке, который тем не менее при соответствующей окраске можно отлично видеть под микроскопом. При этом ученые установили, что в разных местах стенки желудочка формируются разные интернейроны обонятельной луковицы.

Споры о новых нейронах в коре головного мозга

С самого начала кто-нибудь постоянно говорил: нейрогенез в гиппокампе и обонятельной луковице – не может быть, чтобы это было все! Поиск других зон нейрогенеза начался на самых ранних этапах. Уже Джозеф Альтман предполагал, что в мозге млекопитающих есть еще одна зона нейрогенеза взрослых, и это зрительная кора. Но здесь долгое время не удавалось определить принадлежность клеток к нервным так же легко, как в гиппокампе. Когда в распоряжении исследователей появились более точные методы, предположение не подтвердилось. Однако эта идея по-прежнему не дает ученым покоя.

Больше всего дискуссий было и остается посвящено нейрогенезу взрослых в новой коре головного мозга. Сообщения об этом появляются со времен Альтмана и Каплана. Вокруг этого вопроса разгорелся спор между Гульд и Ракичем. И кому-нибудь постоянно кажется, что на этот раз он действительно нашел доказательство нейрогенеза взрослых в коре. Прояснить ситуацию пытались в массе научных статей. Сегодня можно с уверенностью сказать, что явления, которые в этих неправдоподобных сообщениях были идентифицированы как нейрогенез взрослых, на самом деле таковыми не являются. Мы предполагаем, что здесь речь идет о деятельности тех клеток-предшественниц олигодендроцитов, которые могут делиться на месте или мигрировать из стенок желудочков. Они содержат белок, известный под сокращением NG2. NG2 означает «нейрон-глия 2», а это название подразумевает некое промежуточное положение между нервными клетками (нейронами) и клетками глии (такими, как олигодендроциты). Эти клетки немного похожи на нейроны, но на самом деле они другие. Что именно они собой представляют, пока что во многом неясно.

Клетки, содержащие NG2, остаются загадкой, поэтому у них столько разных названий. Долгое время их вообще не замечали, при этом интересны они не только своим неопределенным положением между нейрональной и глиальной частями мозга. В узком смысле слова с нейрогенезом взрослых они не связаны, но с научной точки зрения их можно отнести к тому же классу явлений, поскольку эти клетки, по-видимому, чрезвычайно пластичны. И когда говорят, что нейрогенез взрослых – это только верхушка айсберга, который представляет собой клеточная пластичность, во многом имеется в виду потенциал клеток, содержащих NG2, пока что в большой степени скрытый.

Коре головного мозга, неокортексу, уделяют столько внимания, потому что у человека это доминирующий отдел. Глядя на человеческий мозг, вы видите морщинистую поверхность двух полушарий, под которой уже скрывается все остальное. Этой грандиозной корой наш мозг и выделяется. Его колоссальные возможности во многом связаны с развитием в эволюции неокортекса. Поэтому было бы очень приятно, если бы нейрогенез взрослых протекал в том отделе мозга, который, по сути, делает нас людьми. Но мы уже увидели, что и гораздо, гораздо меньший гиппокамп вносит значительный вклад в функции, типичные для человека.

Нейрогенез взрослых в полосатом теле

Полосатое тело (Corpus striatum, который обычно называют просто «стриатум») – это спрятанная в глубине мозга зона, участвующая во множестве разных процессов. Она относится к так называемым базальным ядрам[36]. Ядра – это всегда скопления нейронов, которые вместе выполняют некую строго очерченную функцию. Анатомически полосатое тело в мозге легко узнать, потому что оно равномерно покрыто полосами, а вот со строго очерченной функцией все обстоит сложнее.

Но откуда вообще в мозге взялся полосатый участок? В этом органе различают серое вещество, то есть слой нейронов, и белое вещество – проводящие волокна, которые связывают между собой нервные клетки и их скопления. Область стриатума – это скопление нервных клеток (серых), поперек которого тянутся проводящие волокна. Через промежуточную «подстанцию» в спинном мозге они связывают отделы новой коры, которые отвечают за движение, с их органами-мишенями – мышцами. Белый цвет объясняется жировыми изолирующими слоями, в результате получаются полоски. На самом деле базальные ядра также играют важную роль в управлении движением, помогая сделать его гармоничным и плавным. Болезнь Паркинсона затрагивает полосатое тело. Оно перестает правильно работать, потому что, в свою очередь, выходит из строя соседний управляющий участок, черное вещество. Болезнь Хантингтона, наследственное нейродегенеративное заболевание с характерной комбинацией моторных («хорея») и ментальных симптомов, поражает сами нервные клетки полосатого тела. Для обоих этих нейродегенеративных заболеваний характерны сложные нарушения моторики. К ним присоединяются другие проблемы, например когнитивные, связанные с функциями стриатума, отличными от моторных.

В полосатом теле нейрогенез взрослых всегда искали особенно интенсивно. Ведь оно находится прямо рядом с субвентрикулярной зоной. Однако у крыс и мышей из ее стволовых клеток образуются только интернейроны обонятельной луковицы. В полосатое тело перемещаются лишь единичные клетки-предшественницы олигодендроцитов, которые отвечают за изолирующий слой нервных волокон, миелиновую оболочку белого вещества. Впрочем, в начале 2000-х годов исследователи из шведского города Лунда обнаружили, что после нарушений кровоснабжения в полосатом теле, например при инсульте, тоже возникает некоторое количество новых нейронов (очень немного){38}. Затем нейрональные клетки-предшественницы мигрируют через полосатое тело и там превращаются в определенный тип интернейронов. Насколько это открытие было (и остается) радостным, настолько же здесь печальны масштабы нейрогенеза. Новые нервные клетки очень устойчивы, но их крайне мало. Тем не менее открытие вызывало восторг и воодушевление. Неужели нейрогенез взрослых все же может способствовать регенерации? Можно ли каким-то образом поддержать хрупкие ростки этого процесса – образования новых нейронов после инсульта, – чтобы в итоге получить нечто большее, чем несколько одиночных новых клеток? Несмотря на серьезные вложения в исследования, к сожалению, они не дали слишком обнадеживающих результатов. К тому же у человека инсульт в полосатом теле случается чрезвычайно редко. Конечно, было бы очень удачно, если бы немногие пострадавшие могли получить более эффективную помощь, но глобально нельзя сказать, что решение для такого узкого случая было бы большим прогрессом в лечении инсультов. Поэтому исследователи из Лунда рассматривают вопрос, нельзя ли направить мигрирующие незрелые клетки в те области человеческого мозга, которые инсульт поражает чаще и тяжелее. Это внешние отделы базальных ядер, помимо полосатого тела, и сама кора головного мозга. На данный момент мало что говорит о том, что здесь ученые достигнут успеха, но нельзя также сказать, что это представляется совсем невозможным. Ведь у человека в субвентрикулярной зоне тоже в большом количестве встречаются делящиеся клетки-предшественницы.

Илл. 22. У человека (нижняя половина рисунка) стволовые клетки из стенок желудочка не мигрируют или почти не мигрируют в обонятельную луковицу, а сворачивают в полосатое тело. По-видимому, нейрогенез взрослых в полосатом теле – это во многом отличительная черта нашего вида. Однако в условиях повреждений мозга его также описывали у крыс и мышей. Изображение человеческого мозга принадлежит Патрику Джеймсу Линчу

Всегда было большой загадкой, что, собственно, получается из этих клеток. Новые нейроны в обонятельной луковице у человека не образуются. Было известно, что здесь тоже в некотором количестве возникают олигодендроциты, из которых формируется миелиновая оболочка, но числа никогда не сходились до конца.

Однако новость о том, что именно человек демонстрирует нейрогенез взрослых в полосатом теле, подействовала как бомба{39}. Причем в буквальном смысле, потому что доказательство этого опять было основано на углеродной датировке по методу исследовательской группы вокруг Йонаса Фрисена из Стокгольма, где повышенное содержание изотопа углерода-14 в атмосфере Земли после наземных ядерных испытаний использовалось, чтобы подтвердить возраст клеток (см. раздел «Как нейробиологи бомбу полюбили»). Значит, у человека нейрогенез взрослых представлен не в меньшем объеме, чем у других млекопитающих, – у нас даже на одну зону нейрогенеза больше! Клетки-предшественницы из человеческой субвентрикулярной зоны по пути в обонятельную луковицу отклоняются в сторону и мигрируют в полосатое тело, где из них развивается определенный вид интернейронов – как ни загадочно, другой, чем тот, что был описан после инсульта у крыс. Выглядит так, как будто в ходе эволюции потенциал нейрогенеза, заложенный в субвентрикулярной зоне, стал использоваться иначе, возможно, потому, что потребность в данном явлении в обонятельной луковице у человека очень мала. Однако это не объясняет, почему только у нас он реализуется в полосатом теле. Можно было сделать и то и другое! Что такого есть в человеческом стриатуме, что здесь понадобился этот особый вид пластичности?

В заключение можно сказать, что первая статья о нейрогенезе взрослых в полосатом теле у человека была примечательно обширной и подробной и сразу предвосхитила массу возможных вопросов. Но это сообщение – единственное на фоне множества данных, полученных на других видах, и согласно этим данным, у них все обстоит иначе.

И все-таки третья зона нейрогенеза?

Гипоталамус – небольшая структура в мозге, которая действует как центральный пункт управления для разнообразных гормональных систем нашего тела, в первую очередь для гормона роста и гормонов стресса. В последние годы накапливаются данные, согласно которым в этой зоне тоже мог бы протекать нейрогенез взрослых, по крайней мере у грызунов. Это неким интересным образом связывают с управлением аппетитом (за которое тоже отвечает гипоталамус). А в стенке желудочка здесь обнаружили особую клетку – по-видимому, стволовую клетку для данного вида нейрогенеза взрослых. Все это очень любопытно, но исследователи не спешат открывать ящик Пандоры и объявлять гипоталамус третьей зоной нейрогенеза у млекопитающих. Для этого мы еще слишком мало знаем.

Птицы

Когда после крыс, на которых Альтман проводил свои первые опыты, стали рассматривать другие виды животных, картина усложнилась. Уже птицы Ноттебома, а тем более последующие исследования на рыбах и многих других позвоночных совершенно ясно показали, что в животном мире в нейрогенезе взрослых нет ничего необычного. Особенным в сообщениях Ноттебома был не тот факт, что обнаружили нейрогенез взрослых – в птичьем мозгу он встречается буквально повсюду. Гораздо важнее была особая связь с обучением пению, о которой мы узнали в начале этой книги.

Насколько распространен нейрогенез взрослых, Ноттебом сначала своими работами не установил, это выяснилось лишь с течением времени. Как бы то ни было, в конце концов мы узнали, что для мозга птиц это совершенно нормальное явление. Что касается нейрогенеза в области мозга, которая отвечает за обучение пению, здесь тоже обнаружилось нечто неожиданное: зебровые амадины, которые учатся петь лишь один раз, а не ежегодно, точно так же демонстрируют нейрогенез взрослых в соответствующих областях, но уже без всякой красивой связи с обучением и забыванием. Что это – данные, которые портят картину, или любопытная хорошая новость? Интереснее ли рассматривать нейрогенез взрослых как исключительное свойство или как повсеместное явление?

Канарейки вызвали к себе такой интерес, потому что казалось, что они используют новые нервные клетки для обучения; но другие певчие птицы этого не делают, хотя демонстрируют нейрогенез взрослых в том же объеме. В остальном у птиц его также удалось подтвердить в той зоне мозга, которая более-менее соответствует гиппокампу млекопитающих. У черношапочных гаичек Ноттебом нашел признаки того, что это явление связано с запоминанием и вспоминанием многочисленных мест, где птица делала запасы на зиму. Конечно, она не запоминает все эти места, или, по крайней мере, не может вспомнить их все до единого. На самом деле птицам и приходится делать так много запасов, потому что у них не идеальная память. Очевидно, механизм, который повышает эффективность в этом деле, дает им преимущество. Знание – сила.

К сожалению, эти данные, которые сегодня прекрасно соотносятся с результатами, позже полученными на мышах, так и остались под большим вопросом. Их не удалось подтвердить на других видах птиц. Птичий гиппокамп, если его можно так назвать, имеет значительно менее отчетливую структуру, чем у млекопитающих, и гораздо хуже изучен. Какие клетки каким образом встраиваются здесь в какие сети, неясно. Здесь все выглядит просто совершенно иначе, чем у мышей, и потребовалось бы большое количество специализированных исследований, чтобы должным образом упорядочить все данные.

Описанные работы не вызвали того энтузиазма, которого, вероятно, ожидал Ноттебом. Вообще-то, эти данные – венец его истории с нейрогенезом, потому что они устанавливают прямую связь с млекопитающими и тем самым, предположительно, с человеком. У нас тоже есть гиппокамп, а зоны для сезонного обучения песням нет. Но факт остается фактом: Фернандо Ноттебома научная общественность до сего дня знает в первую очередь благодаря его революционным работам по нейрогенезу у канареек, которые вместе с тем воспринимают как несколько экзотичные и забавные. Это не совсем справедливо, и вполне естественно, что ученый чувствует себя непонятым.

В то же время его исследования на канарейках, помимо их общепризнанного особого положения, дали большой толчок науке. За первым описанием последовала длинная череда очень обширных работ, где данное явление освещалось со всех сторон, какие только можно вообразить, в таких подробностях и с такой глубиной, которых в исследованиях нейрогенеза взрослых в гиппокампе млекопитающих удалось достичь лишь два десятка лет спустя.

Возьмем, например, функцию человеческого полового гормона – тестостерона. Нейрогенез взрослых при заучивании песен встречается только у самцов канарейки, поскольку самки не поют. На самом деле тестостерон также играет важную роль в управлении нейрогенезом взрослых в песенном центре. Он занимает центральное место в процессах, запускающих события, которые разворачиваются весной. В конечном счете пение канареек – это вид ухаживания, что логично, поскольку оно звучит одновременно с пробуждением других регулируемых гормонами весенних симптомов. Конечно, односторонняя связь между пением самцов-канареек и ухаживанием говорит нам, что наблюдения за птицами, пожалуй, все же довольно далеки от вопросов, которые имеют значение для млекопитающих, и в первую очередь для человека.

В 90-е годы история с птичьим тестостероном вызвала некоторый протест. Так, Элизабет Гульд в целой серии ранних работ по нейрогенезу взрослых исследовала роль эстрогена и других женских половых гормонов. На самом деле, эстроген очень важен для пластичности мозга, также было выявлено некоторое его влияние на нейрогенез взрослых. Правда, влияние очень небольшое, а главное, на сегодня ничто не говорит о значимых половых различиях в этом процессе ни в гиппокампе, ни в обонятельной луковице. Несомненно, некоторые исследовательницы и рады были бы доказать, что женский мозг превосходит мужской по гибкости и приспособляемости, но все же течение нейрогенеза не зависит от пола; вероятно, тестостерон для него нужен в той же мере, что и эстроген. В принципе, ничего другого и не следовало ожидать, когда речь идет о таком фундаментально важном для высших функций обучения процессе.

Мастера нейрогенеза: данио-рерио

Если после исследований на птицах ученые уже предполагали, что нейрогенез взрослых для многих животных не представляет собой ничего особенного, то позже это предположение весьма впечатляющим образом подтвердилось на рыбах. То, что начиналось как отдельные любопытные научные статьи, внезапно стало вызывать гораздо больший интерес, когда нейрогенез взрослых описали у рыб данио-рерио.

В целом рыбы – излюбленный объект изучения в классической нейроанатомии. Многие исторические работы, например, были выполнены на лососе и форели. Возможно, определенную роль здесь сыграли приятные побочные эффекты кулинарного толка, которые дает разведение форели на территории института.

К тому моменту, как появились работы по нейрогенезу у данио-рерио, образование новых нейронов в их мозге удивления уже не вызывало, но данные именно об этом виде оказались особенно полезными. Дело в том, что данио-рерио наряду с пивными дрожжами, круглыми червями (нематодами), дрозофилами, крысами и мышами относятся к привилегированным видам, с помощью которых биологи пытаются постичь тайну жизни. В зависимости от степени сложности, ученые в большой мере условились, какие исследования проводить на каком виде животных. Так проще обосновывать одни исследования другими и использовать единообразный набор методик, хотя в зависимости от вида что-то всегда меняется. Поэтому о принципах клеточной биохимии мы многое знаем из исследований на пивных дрожжах и на кишечной палочке. Основные положения генетики и молекулярной биологии сформулированы с помощью нематод и дрозофил. В случае сложных вопросов, которые требуют использования млекопитающих, опыты ставят на мышах. Кроме того, крысы всегда служили прекрасным объектом для исследований, связанных с биологией поведения.

Если угодно, в этом ряду данио-рерио находятся где-то между дрозофилами и мышами. В отличие от мушек они относятся к позвоночным, но не к млекопитающим, как мыши. Они наилучшим образом подходят для исследований по генетике и молекулярной биологии, а как минимум на ранних стадиях развития большое преимущество дает прозрачность их икринок, благодаря чему под микроскопом можно следить за развитием прямо через кожу.

Гиппокамп в узком смысле у рыб представлен не в большей степени, чем у птиц, но у них есть более простая структура, которая отвечает за некоторые функции, гиппокампальные у млекопитающих. Как бы то ни было, у рыб есть стенка мозгового желудочка. Именно здесь у человека, как и у мыши, находятся клетки-предшественницы, используемые при нейрогенезе. Но интересно, что у рыб эта стенка расположена не внутри, в глубине мозговой ткани, а на поверхности. В этом смысле строение рыбьего мозга вывернуто наизнанку. На первый взгляд это несколько сбивает с толку, но под этой странной оболочкой можно обнаружить массу общих черт. Очень многое, хотя и далеко не все, так сказать, «законсервировано в эволюции», иными словами, некоторые вещи у различных видов животных оказываются одинаковыми или же представлены в вариантах, между которыми легко проследить связь. При этом, как правило, сложность растет от рыб к грызунам, далее к приматам и к человеку. Так что иногда в очень антропоцентричном духе говорят о делении животных на «низших», более простых, и «высших», сложных. Более деликатные ученые стараются избегать таких выражений, но именно благодаря своей оценочности они очень наглядны. Если угодно, данио-рерио – это простейшая модель высших животных. Еще раз: если угодно.

После того как свои первые работы выпустил ихтиолог Гюнтер Цупанк, который тогда работал в Тюбингене, а позже в Бремене, мой коллега, нейробиолог из Дрездена Михаэль Бранд, со своими сотрудниками подробно картировал нейрогенез взрослых у данио-рерио. Они определили в мозге взрослой рыбы в общей сложности 16 зон, где на протяжении всей жизни образуются новые нейроны. В их число входит обонятельный мозг и та зона, которую при желании можно считать аналогом гиппокампа у млекопитающих. Впрочем, у животных в ней нет зубчатой извилины, так что нейрогенез взрослых все равно выглядит иначе.

Таким образом, рыбы, как и птицы, – настоящие мастера нейрогенеза. При этом их гораздо проще содержать и изучать. К тому же накопился значительный методический арсенал. Генетическая характеристика продвинулась настолько, что сегодня пройти мимо данио-рерио уже нельзя. То, что нейрогенез взрослых у рыб так ярко выражен, конечно, смущает. Разве это не благоприятное свойство? Если да, почему тогда у «высших» животных оно распространено скорее менее, чем более?

У данио-рерио нейрогенез взрослых несет регенеративную функцию, то есть составляет часть восстановительных процессов при повреждениях. У нас эта способность на самом деле утрачена. У мышей и человека данный процесс принципиально ограничен явлениями, связанными с пластичностью, и если обеспечивает регенерацию, то очень скудную. К возможным исключениям мы еще вернемся.

Итак, у данио-рерио можно было бы подсмотреть кое-что в плане регенерации. В этом и состоит цель работы, которую ведет Михаэль Бранд со своей группой в Дрездене. Можно ли разбудить и у человека этот предположительно забытый регенеративный потенциал и использовать его в медицине?

Восстановительный нейрогенез

В любом случае очень интересен вопрос, не может ли и у млекопитающих в экстремальной ситуации нейрогенез взрослых протекать более активно, чем в обычных условиях. Можно ли в соответствующих обстоятельствах активировать в клетках-предшественницах из стенок желудочков или из ткани, или даже в клетках NG2 потенциал нейрогенеза, который в противном случае остается скрытым? Может быть, все это лишь вопрос «дозволенности»? Иными словами, могли бы клетки делать это, если бы им кто-то дал?

На самом деле, из отдельных статей можно заключить, что нечто подобное возможно. Больше всего подтверждений получил восстановительный нейрогенез после инсульта в полосатом теле у крыс. Впрочем, речь здесь шла о столь малом количестве клеток, что трудно представить себе, как они могли бы способствовать регенерации всего поврежденного участка. И все же поражает сходство с процессами, которые в большом объеме можно наблюдать в мозге данио-рерио.

Может быть, это действительно эволюционные следы способности, которая в остальном в значительной мере утрачена. Может быть, это и правда тот материал, из которого строятся футуристические мечты медицинского толка. В любом случае здесь природа демонстрирует то, о чем грезят визионеры регенеративной медицины: она заменяет погибшие нейроны. Но не стоит воображать, что в реальности кому-нибудь удастся вырастить целый спинной мозг. Такое умеют только аксолотли, вид земноводных. Моя коллега Элли Танака изучает этот удивительный процесс, в ходе которого у них полностью воспроизводится развитие хвоста, а при необходимости и больше.

Общий вывод таков: изучая восстановительный нейрогенез у аксолотлей (см. рис. 21 на вклейке) и рыб, мы получаем очень много информации, и нельзя полностью исключить, что отсюда вырастут весьма конкретные терапевтические возможности. Но до этого пока очень далеко. Еще более нереалистично рассчитывать на то, что удастся полностью восстанавливать, например, чрезвычайно сложные соединения в новой коре головного мозга с ее гигантским количеством разнообразных клеточных типов и связей, особенно при обширных повреждениях.

Кроме того, конечно, часто бывает, особенно в коре головного мозга, что при разрушении нервных клеток также теряется функция, которую они выполняют в процессах обучения и запоминания. Новые нейроны пришлось бы обучать заново. Невозможно восстановить содержимое из некой резервной копии. Повторное обучение по-прежнему оставалось бы задачей нейрореабилитации. Это было бы испытанием пластичности регенерировавших нейронов. Функция не вернулась бы сама по себе, просто потому, что появились новые клетки. Их долгосрочная интеграция опять же зависела бы от того, насколько они пригодны к использованию в своих сетях; но что, если окажется, что и этих сетей больше нет, что они тоже должны регенерировать? Как быть с опытом, который воспроизвести невозможно? Важен ли порядок переживаний? Какое значение имеет время?

На данный момент неясно, распространяются ли вышеописанные примеры восстановительного нейрогенеза в животном мире только на жестко заданные, генетически предопределенные соединения (что было бы весьма загадочно и очень сложно объяснить), или также на пластичные связи, каковые демонстрируют «высшие» области мозга.

Все это несколько охлаждает восторги по поводу восстановительного нейрогенеза, но не нужно думать, что исследования на данную тему – чистая утопия, что они не имеют смысла. Они представляют большой научный интерес и важны для медицины, потому что полученные знания способствуют общему пониманию того, как вообще наш мозг обращается с повреждениями и как можно было бы содействовать регенерации. Для мозга, который в остальном регенерирует так плохо, мало – это лучше, чем ничего.

В целом также было бы очень полезно индуцировать нейрогенез там, где в естественных условиях его нет. Так, исследовательница стволовых клеток из Мюнхена Магдалена Гётц, автор многочисленных работ по субвентрикулярной зоне, занимается вопросом, можно ли прямо в мозге перепрограммировать глиальные клетки таким образом, чтобы из них получились новые нейроны. Это даже удается сделать, но встает множество новых вопросов. Нельзя сказать, что до клинического применения рукой подать. Эти исследования скорее имеют исключительное значение для фундаментальной науки. Они многое говорят нам о природе стволовых клеток и о том, как должно быть организовано содержимое клетки, чтобы нейрогенез взрослых стал возможен. Конечно, это также важно для физиологического нейрогенеза взрослых.

7

Новые нейроны для подвижного мозга

Серендипити

В 2004 году слово serendipity вошло в десятку самых труднопереводимых английских выражений. При этом оно чрезвычайно удобно. Слово «серендипити» уже появляется в других языках, но по популярности оно еще не догнало английский термин.

Серендип – старое название острова Шри-Ланка. Существует древнее персидское предание о трех принцах с Серендипа. Практически все, что они делают, удается им скорее по ошибке, и уж точно не благодаря прямому намерению. Опираясь на этот рассказ, Хорас Уолпол ввел в английский язык слово «серендипити», чтобы обозначить «счастливое совпадение». Вы хотите одного, получается что-то другое, и впоследствии это оказывается значительно лучше первоначального замысла. Прекрасное определение дано в замечательной книге Роберта Мертона и Элинор Барбер «Путешествия и приключения серендипити» (The Travels and Adventures of Serendipity): «the happy blend of wisdom and luck by which something is discovered not quite by accident» («счастливое сочетание мудрости и удачи, благодаря которому совершается не вполне случайное открытие»).

Эффект серендипити играет в науке большую роль (потому и слово это стало таким важным). Самая серьезная ошибка государственного и промышленного финансирования исследований состоит в том, что здесь этого не признают. Открытия чаще всего происходят не там, где их целенаправленно ищут. Вспомните: Колумб, отправляясь в плавание, не собирался открывать Америку. Удача в науке часто связана с чем-то неожиданным. Конечно, инженеры тоже радуются, когда находят решение задачи, но научные знания конструированию не поддаются. Так и Джозеф Альтман не искал нейрогенез взрослых, когда обнаружил его.

Конечно, одного этого эффекта недостаточно. Нужны большие целенаправленные исследования, чтобы глубже разобраться в открытиях, сделанных «по ошибке», и объяснить их. Но и наше наблюдение, согласно которому физическая активность стимулирует нейрогенез взрослых, было из числа совершенно неожиданных. С тех пор мы пытаемся осмыслить эти поразительные данные. Вырастить из серендипити нечто устойчивое – это зачастую каторжный труд.

Ричард Моррис и его лабиринт

Уже первые из наших опытов с обогащенной средой позволили предположить, что обучение стимулирует нейрогенез взрослых. Отсюда возникли два вопроса: во-первых, верно ли это предположение, во-вторых, оказывает ли и нейрогенез взрослых положительное действие на обучение, в обратном направлении? Вторым вопросом мы займемся в следующей главе. Исторически ответ на него тоже был получен позже, чем на первый. В 1997 году мы провели классический поведенческий тест, чтобы показать, что животные, которые живут в обогащенной среде и демонстрируют более высокий уровень нейрогенеза, также более обучаемы. Результат был убедительным, но, конечно, связь могла быть и косвенной. Оставалось показать, что животные лучше обучались именно потому, что у них были новые нейроны.

Для поведенческого теста мы использовали водный лабиринт, который изобрел исследователь мозга Ричард Моррис, теперь работающий в Эдинбурге, и который назвали его именем. В науке «водный лабиринт Морриса» (the Morris Water Maze) – это устойчивое выражение. В свободное время Моррис увлеченно занимается парусным спортом; может быть, поэтому он и придумал тест, который проводят на воде. Многие думают, что в поведенческих тестах с грызунами всегда используется классический лабиринт с ходами. Это милый стереотип, такой же неверный, как и почти все стереотипы. Дело в том, что для задач на пространственное ориентирование использовать настоящий лабиринт, как правило, довольно непрактично. Чтобы проложить путь по вольеру, мыши и крысы оставляют, как нить Ариадны, пахучие метки, которые человек не распознает. В процессе теста грызуны находили бы дорогу назад, как Гензель и Гретель по камушкам, которые они разбросали по дороге. При этом мы бы понятия не имели, как они это сделали. Однако, как известно, во второй части сказки трюк не удался, потому что Гретель взяла вместо камушков хлебные крошки, а их склевали птицы, и след исчез. Моррис придумал нечто подобное. Его водный лабиринт представляет собой сложную пространственную задачу и исключает всякие вспомогательные средства, которые животные могли бы использовать наряду с памятью, оставляя невидимые устойчивые следы. Секрет прост: вместо того чтобы бегать, животным приходится плавать. В воде невозможно оставить устойчивую пахучую метку. Но кроме того, так называемый водный лабиринт Морриса – это уже вовсе не лабиринт, а круглый бассейн, на водной поверхности которого животные ориентируются по знакам, находящимся снаружи. Мыши плавают хорошо, но без удовольствия. Когда их сажают в бассейн, они сильно мотивированы, чтобы найти выход. Но выход спрятан. В бассейне есть маленькая платформа, покрытая водой так, что животные не могут видеть ее, когда плывут. Используя удаленные ориентиры, они должны отметить место платформы на своеобразной мысленной карте и затем снова найти его. Упражнения длятся от полуминуты до полутора минут. Сначала мыши плавают хаотично, но после некоторой тренировки они направляются к платформе по прямой, независимо от того, в какое место бассейна их поместили. Чем быстрее и лучше животное учится, тем меньше раз ему приходится выполнить упражнение и тем в среднем короче оказываются расстояние и время до цели. Это хорошо получается, когда мыши живут в обогащенной среде (см. рис. 23 на вклейке).

На самом деле этот тест можно провести и на человеке. Обычно организуют виртуальную версию, где человек плавает на компьютере. Но мы с коллегами Питером Райтом и Генри Шульцем из Хемницкого технического университета однажды запустили группу студентов-физкультурников поплавать в настоящем водном лабиринте в озере. Оказалось, что, по существу, человек ведет себя в этом тесте так же, как и мышь.

Неожиданный результат в контрольной группе

Мы с Генриеттой ван Прааг использовали водный лабиринт Морриса в первых опытах, с помощью которых пытались установить, правда ли, что не только обогащенная среда в целом, но и узконаправленное обучение может стимулировать нейрогенез взрослых. При этом возник вопрос, как в случае положительного результата мы собирались заключить, что соответствующий эффект вызывает не само по себе плавание в бассейне водного лабиринта. Ведь в конечном счете это уже обогащенная среда.

Чтобы решить эту проблему, проще всего выделить группу животных, которые будут плавать в другом бассейне, причем в течение того же времени, которое остальным мышам в этот день понадобилось, чтобы научиться выполнять задание. Но в этом другом бассейне учиться совершенно нечему, потому что в нем нет платформы, которую можно было бы найти. Для полной уверенности мы даже выделили третью группу, которая просто вела физически активную жизнь. Так мы хотели дополнительно проконтролировать, не оказывает ли сама по себе подвижность в любой среде соответствующего эффекта на нейрогенез взрослых. Сделать это очень легко, потому что мыши будут чрезвычайно активными, если дать им такую возможность. Как и хомяки, которых держат дома, они интенсивно пользуются установленным в клетке колесом. И, как и хомяки, мыши бегают практически всю ночь (а днем спят, к большому разочарованию детей, которым тех или других дарят в качестве домашних животных), в общей сложности часто пробегая по нескольку километров. В наших опытах получалось от трех до пяти километров, как показал небольшой счетчик на колесе. В более поздних экспериментах нам удавалось замерять ночные дистанции длиной до 12 километров, тот же результат получали в своих опытах и другие исследователи. Трудно поверить, но эти данные хорошо отражают активность мышей в дикой природе. Это имеет некоторое значение, потому что в такой клетке заняться больше особо нечем, и можно было бы предположить, что от скуки мыши бегают слишком много или, как большинство людей, слишком мало.

Илл. 23. Колесо, установленное в британском парке, показало: мышам нравится бегать в нем даже на лоне природы. Люди тоже порой предпочитают беговую дорожку в фитнес-центре пробежке по лесу. По-видимому, мышь и в этом похожа на человека. Иллюстрация из статьи Джоанны Мейджер и Юри Робберса «Бег в колесе на природе» (Johanna H. Meijer, Yuri Robbers. Wheel running in the wild. doi: 10.1098/rspb.2014.0210)

Несмотря на это, порой возникают упреки в искусственности таких экспериментов. Якобы дикая мышь не стала бы бегать в колесе, если бы у нее был выбор. В связи с этим был поставлен восхитительный опыт, который послужил прекрасным примером науки творческой, науки с удовольствием, на какую способны только британские ученые: колесо для диких мышей поставили на природе. И смотрите-ка: хотя в их распоряжении был весь мир, дикие мыши, можно сказать, тоже отправились в фитнес-центр. Исследователи установили, что колесо для бега и в этих условиях активно использовалось{40}. Для нас это означало, что наша модель еще ближе к реальности, чем мы думали.

Мы также должны были проследить за тем, чтобы обучающий стимул воздействовал на меченные БДУ клетки именно в тот момент, когда они к такому стимулу наиболее восприимчивы. Обучение должно было защитить их от гибели. Пометив клетки и считая, что чем больше, тем лучше (что вообще-то далеко не всегда верно), мы обучали мышей в водном лабиринте почти три недели и надеялись, что таким образом точно захватим решающий момент.

Теперь понятно, что это было ошибкой. Сначала, когда мы обрабатывали данные эксперимента, все выглядело очень многообещающе. Опыт оказал такое большое воздействие, что оно было заметно даже просто при взгляде в микроскоп. Не нужно было сложных вычислений, чтобы увидеть его (конечно, вычисления мы тоже провели, потому что ученые любят все выражать в числах и сравнивать их между собой). Пока что выглядело, как будто мы воспроизвели результаты опыта с обогащенной средой.

Но, естественно, анализ мы проводили слепым методом. Это значит, что каждой пробе был присвоен кодовый номер, ключ к которому был неизвестен тому, кто анализировал данные. Так можно исключить бессознательное воздействие на результат с целью отклонить его в ту или иную сторону. Эти усилия оказались излишними ввиду сильного эффекта: животных было легко идентифицировать. Теоретически могло быть так, что они случайным образом распределены между всеми группами и просто представляют статистическое отклонение в своей группе. Но в подобном опыте это маловероятно. В этом случае скорее нужно ожидать разрозненных чисел, бессистемно разбросанных по всему спектру возможных значений. Само собой, мы предполагали, что выделилась группа обучавшихся животных. Каково же было наше удивление, когда мы расшифровали коды и обнаружили, что больше новых нейронов оказалось у бегунов{41}. В обучавшейся группе не произошло никаких изменений. Это было действительно совершенно неожиданно. Почему бег в колесе должен оказывать на нейроны действие, которое совершенно однозначно связано с обучением, а не с бегом? И почему обучение не имело никакого эффекта?

Одновременно с нами та же самая идея пришла в голову Элизабет Гульд из Принстона. Но она в своем опыте (на крысах) составила значительно более короткую и интенсивную учебную программу. Сложность водного лабиринта можно менять множеством способов: например, предлагать разные ориентиры в пространстве, изменять время, которое дается животным на решение задачи, или количество повторений.

Оказалось, что у Лиз Гульд чутье в этом деле лучше. На крысах она обнаружила, что обучение отчетливо влияет на выживание вновь образованных нейронов – точно то же самое мы ранее описывали для обогащенной среды{42}. Мы в своем эксперименте этого не увидели. Вероятно, мы слишком облегчили мышам задачу. Ситуация, в которую мы их поместили, не сопровождалась повышенной потребностью в новых нервных клетках. Это прекрасно показывает, насколько результат научного опыта зависит от предположений, которые заложены в эксперимент, причем часто неумышленно!

Однако в итоге мы неожиданно получили положительный результат в одной из контрольных групп. Мыши, бегавшие в колесе, показали повышенный уровень нейрогенеза взрослых! И более того, по сравнению с экспериментами с обогащенной средой (которые мы здесь повторили в качестве дополнительного контроля), стволовые клетки у них делились намного более активно. Эффект, который мы наблюдали в обогащенной среде, был обусловлен почти исключительно тем, что новые клетки лучше выживают, здесь мы не увидели роста активности деления. Это означало, что физическая активность, как и обогащенная среда, стимулирует нейрогенез взрослых в гиппокампе, но иным способом.

Через много лет мы выяснили, что воздействие обоих факторов суммируется. То есть, когда мыши сначала бегали в колесе, а затем были выпущены в обогащенную среду, эффект был больше, чем в случае каждого воздействия отдельно. Иными словами, физическая активность, по-видимому, повышала потенциал нейрогенеза взрослых. А у стимула (скорее когнитивного), который давала обогащенная среда, в результате был больший выбор легковозбудимых новых нейронов, чтобы привлечь их к делу, если позволите такую интерпретацию. Мы не знаем, действительно ли здесь имеет место какой-то выбор, или все это происходит случайно. Но в итоге получался прирост.

Этот результат вполне правдоподобен, но все равно удивителен. Обычно не все новые нейроны сохраняются надолго: у мышей это от 10 до 25 %. Таким образом, образуется достаточный запас, чтобы в случае необходимости привлечь больше клеток. Зачем нужно еще увеличивать этот излишек (учитывая, что большинство клеток все равно погибнет), неясно. Разве что незрелые клетки, возникающие в результате физической активности, со своей стороны оказывают положительный эффект, который каким-то образом способствует использованию обогащенной среды.

Как ни удивительно, по-видимому, так оно и есть. Сегодня мы предполагаем, что новые нейроны сильно влияют на деятельность сети сразу, как только становятся доступными их контакты, и несмотря на то, что их связи выглядят еще совершенно неспециализированными и незрелыми.

Нейробиолог из Аргентины Алехандро Шиндер – эксперт по этим ранним функциям нейрона. В последние годы он со своими коллегами несколько раз сумел доказать, что незрелые нервные клетки улучшают действие сети, поскольку они легко возбуждаются. В первый момент кажется, что это противоречит здравому смыслу. Мы автоматически предполагаем, что нейрон, чтобы полноценно функционировать, должен быть полностью готов. Однако, по-видимому, это не всегда верно. Вот еще один пример того, что мозг – это не компьютер, а нейроны – не микросхемы. Незрелый компьютер не работает. А вот положительное воздействие новых нервных клеток на деятельность мозга, по-видимому, в большой степени связано с тем, что они все еще проявляют все признаки незрелости.

Конечно, здесь можно спросить, что вообще должны означать слова «зрелость» и «незрелость», если «незрелость», очевидно, вызывает «зрелые» последствия. Это вопрос почти философский. Нам также еще неизвестна глубинная взаимосвязь этих двух функций – той, что возникает сразу (незрелая), и в долгосрочной перспективе (зрелая).

С другой стороны, многие делают из нашего результата несколько умозрительное, но правдоподобное заключение, что, возможно, также важно, где конкретно бегает животное. Наших мышей приводят в свидетели, доказывая, что бегать на природе лучше, чем в колесе. Или хотя бы что телевизор перед беговой дорожкой в фитнес-центре – это шаг в верном направлении. Впрочем, можно еще добавить, что важно, какая на нем включена программа.

Мозг создан для движения

Гипотеза, которая сначала казалась довольно дерзкой и согласно которой познание и движение могут быть очень тесно связаны причинно-следственной связью через нейрогенез взрослых в гиппокампе, как выяснилось, не такая уж нелепая, ведь базовое устройство нервных систем таково: всегда есть вход, куда поступают сигналы из внешнего мира, будь то зрительные (через глаза), слуховые (через уши), химические (через обоняние) или осязаемые (через кожу). И есть что-то на выходе, это всегда что-то моторное. Все, что мозг «умеет», – это движение. Речь – это тоже движение.

В эволюции нервная система появилась, чтобы в многоклеточном организме сделать возможным такое разделение труда, которое позволило бы ему сохранить подвижность одноклеточного. Например, растения и кораллы не могут сдвинуться с места, и у них нет нервной системы[37].

Эти точки входа и выхода очень тесно связаны друг с другом. Традиционно господствовали воззрения, согласно которым сенсорный и моторный аспекты во многом существуют отдельно друг от друга и связаны лишь на высшем уровне. Но это неверно. Во-первых, есть соединения по короткому пути, благодаря которым, например, возможны чрезвычайно сложные движения глаз. Если бы для этого приходилось еще и сверяться с удаленными центрами, моторный ответ шел бы слишком долго. Добыча давно уже скрылась бы из виду. Но и в других соединениях на разных уровнях пути очень коротки, так что моторная система на самом деле всегда знает, что конкретно происходит сейчас в сенсорном восприятии.

Конечно, обратное тоже верно. Ведь есть также чувство, которое позволяет воспринимать положение и движение собственного тела в пространстве. Это «проприоцепция», самоощущение тела – в первую очередь ощущение положения всех суставов и натяжения сухожилий, которое дополняет информация из органа равновесия во внутреннем ухе.

Очевидно, мышление – это нечто большее, чем непосредственная переработка информации из органов чувств, но также очевидно, что оно никогда не бывает по-настоящему независимым от мира и нашей деятельности в нем. Это вполне тривиально: чистое мышление – явление весьма искусственное, оно не могло бы найти широкого распространения в большом животном мире. Для животного познание всегда напрямую связано с собственным физическим движением в пространстве. Разделить их может только человек, когда, сидя в кресле и философствуя, он воссоздает весь мир в своем воображении. Или в фитнес-центре, когда мы отделяем движение от реального познания мира.

В остальном верно, что тот, кто много двигается, также много испытывает и поэтому должен много думать. Вспомним: мозг дан нам, чтобы принимать решения. Большое количество движения означает, что с большей вероятностью придется принимать много решений. Большое количество движения в сложном мире равнозначно повышенной когнитивной нагрузке (cognitive load). Так что вполне естественно, что мозг использует все имеющиеся короткие пути передачи информации между сенсорной и моторной системами, чтобы из данных о количестве движения прогнозировать ожидаемые когнитивные задачи.

Вероятно, нейрогенез взрослых – это не более и не менее, чем конкретный пример данной взаимосвязи.

Самая страшная тайна медицины

Польза движения для нас и нашего здоровья – это, можно считать, самая страшная тайна медицины. То есть вообще-то все знают, что это связано. Вот только движение как средство профилактики и лечения заболеваний остается в тени мер, которые по тем или иным причинам кажутся нам более «медицинскими». «Лекарство должно быть горьким, иначе оно не лечит», как говорится в романе Генриха Шпёрла «Пунш из жженого сахара» (Die Feuerzangenbowle). Движение и спорт в целом таковыми не считаются. При этом, вообще говоря, никакое другое вмешательство не способно всегда без исключения оказывать столь благотворное и ощутимое действие на наше здоровье, как «умеренная физическая активность». Здесь «умеренная», по самым частым рекомендациям, означает от тридцати до шестидесяти минут физической активности в день: подъемов по лестницам, работы в саду, перемещений решительно пешком и так далее (то есть это совершенно не обязательно «спорт» в узком смысле слова), и это по три-пять дней в неделю.

Подобные высказывания выглядят такими размытыми, потому что эти рекомендации основаны на результатах широких ретроспективных исследований на тысячах наблюдаемых. При этом часто используют опросники и лишь иногда надежные, стабильные данные, полученные путем прямых наблюдений. Конечно, существуют и медицинские исследования, в которых в качестве вмешательства выступает подвижность, но изучать ее с помощью стандартных инструментов клинических испытаний едва ли имеет смысл. В итоге рекомендации получаются неоднородными и неясными, не такими, как при испытании медикаментов. Так, здесь невозможно провести рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование, которое считается золотым стандартом клинических испытаний. Рандомизировать подвижность можно, хотя часто трудно. А как должна выглядеть контрольная группа для «умеренной физической активности»?

Впрочем, существуют также проспективные исследования воздействия физической активности на умственную работоспособность. Артур Крамер из Иллинойсского университета придумал для этого гениальный ход: в качестве группы контроля для занимающихся спортом он создал группу, члены которой, правда, были убеждены, что тоже занимаются спортом{43}, но на самом деле проходили «программу тренировок» с минимальным воздействием, а именно занимались растяжкой. Поскольку эта программа шла в тех же помещениях, с настоящими тренерами и в целом сопровождалась всякими сопутствующими спорту действиями, такими как переодевание, посещение душа и так далее, удалось отделить возбуждение сердечно-сосудистой системы, возникающее за счет чисто психологической составляющей спортивных занятий. Благодаря этому эксперименту сформировалась основа наших знаний о том, что в проспективных исследованиях тоже подтверждается улучшение когнитивной деятельности в результате физической активности.

Впрочем, к другим, особенно более обширным исследованиям с большим количеством участников стратегия Крамера применима лишь с серьезными ограничениями. С одной стороны, о том, что ключ к физической тренированности – это кардиоваскулярные нагрузки, много говорят, так что простую растяжку все меньше воспринимают как «настоящий спорт». С другой стороны, мероприятия, которые сводятся к смене образа жизни, очень многогранны. Физическая активность – важнейший самостоятельный фактор, но она действует в контексте других факторов. Например, ее влияние на обмен веществ и энергии тесно связано с питанием. То же самое можно сказать о курении или, например, сне.

Большинство исследований подкрепляют впечатление, что физическая активность «полезна для мозга». Однако в 2015 году вышла работа, на данный момент самое большое из опубликованных проспективных исследований, посвященных воздействию физической активности на сохранность умственной работоспособности в старости, где, вопреки всем ожиданиям, спортивные занятия внезапно оказались неэффективными{44}. Впрочем, здесь контрольная группа проходила интенсивную программу консультаций по здоровому образу жизни с сильным упором на социальное взаимодействие. Может быть, ключевой результат данного исследования – действие этого второго, нефизического фактора. Он делает значение физической активности относительным. В свою очередь, это хорошо согласуется с аддитивными эффектами, описанными нами в экспериментах над животными.

Физическая активность – и это хорошо задокументировано – связана с ростом ожидаемой продолжительности жизни. Так, Копенгагенское исследование сердца (Copenhagen City Heart Study) показало, что у подвижных мужчин этот показатель больше примерно на шесть лет{45}.

Еще больший резонанс в СМИ вызвали обратные результаты австралийского исследования, согласно которым каждый час, проведенный перед телевизором, сокращает ожидаемую продолжительность жизни на 22 минуты{46}. За этим кроется не фундаментальная критика качества телевизионных программ, а уже подтвержденный многими другими исследованиями вывод о том, что сидячий образ жизни убивает. К сожалению, если человек проводит бóльшую часть жизни сидя, отрицательные последствия этого можно лишь отчасти компенсировать повышенной физической активностью в оставшееся время. Во многих современных офисах для решения этой проблемы вводят стоячие рабочие места, хотя, как правило, в первую очередь не из соображений заботы о продолжительности жизни сотрудников.

Физическая активность способствует умственной деятельности

Однако взаимосвязь между умственной работоспособностью и физической тренированностью имеет фундаментальный характер. Мой коллега Ганс Георг Кун и другие сотрудники Гётеборгского университета, чтобы продемонстрировать чрезвычайно тесную связь между этими двумя показателями, использовали шведскую базу данных армейских медосмотров, в которой хранятся результаты теста на интеллект и физического осмотра шведов мужского пола в возрасте восемнадцати лет с 60-х годов. Те, кто в восемнадцать лет был в лучшей физической форме, также лучше справлялись с умственной работой{47}.

То, что эта связь еще и причинно-следственная, то есть что новобранцы лучше соображают именно потому, что больше двигаются (а не наоборот, и не потому, что у этого есть какая-то независимая общая причина), конечно, невозможно установить непосредственно. Исследования, подобные тому, что провел Артур Крамер, всегда выполняют на малых группах, наблюдения в них чаще всего занимают короткий период, не более нескольких месяцев. Тем не менее сегодня в целом мы с уверенностью можем предположить, что между усиленными физическими тренировками и повышенной умственной работоспособностью есть причинно-следственная связь.

Физическая активность и эффект такси

Физическая активность и тренированность так же, как и вождение такси в Лондоне, связаны с измеримыми структурными изменениями в мозге, в первую очередь снова в гиппокампе. В ответ на физическую активность гиппокамп увеличивается в размере{48}. Сегодня это уже бесспорно. Впрочем, еще нужно исследовать вопрос, с чем именно связаны эти изменения и какое конкретно значение они имеют в функциональном плане. Опять же, их нельзя объяснить одними только новыми нервными клетками. Однако по-прежнему удивительно, что область мозга, пластичная настолько, что это можно измерить с помощью МРТ, еще и способна производить новые нейроны.

Резервы: физическая активность и «успешное старение»

Физическая активность имеет большое значение для накопления так называемых резервов в старости. Мы вернемся к этому подробнее в заключительной главе книги. Коротко говоря, под этим подразумевают наблюдение, согласно которому успешно стареющие люди пользуются более широкими компенсаторными возможностями в случае проблем, возникающих в старости, и нейродегенеративных заболеваний. Им дольше удается сглаживать функциональную недостаточность. Что именно означает в этой связи слово «успешное», описать вовсе не так просто. Пожалуй, лучше всего ситуацию выражает следующая формулировка: индивид стареет успешно, если наилучшим образом использует свой потенциал для себя и своего окружения.

Дополнительный аргумент в пользу существования таких резервов – это полученные на вскрытиях данные, согласно которым масштаб нейродегенеративных изменений в мозге лишь очень умеренно коррелирует с умственной работоспособностью соответствующих лиц. У кого-то на момент смерти в мозге можно наблюдать масштабные изменения по типу болезни Альцгеймера, но ум этого человека мог до глубокой старости оставаться в очень хорошей форме. И наоборот, мозг человека, который умер со всеми признаками деменции, может вообще-то выглядеть совершенно здоровым.

Резервы – это не что-то, что создается заново, они означают более длительную сохранность врожденных или приобретенных ранее в течение жизни способностей. Главным следствием из этой мысли можно считать настоятельную рекомендацию как можно раньше переходить к здоровому, ориентированному на накопление резервов образу жизни, чтобы препятствовать снижению различных параметров умственной деятельности, которое постепенно начинается примерно с двадцати пяти лет, или замедлить это снижение.

То, что это «снижение» начинается так рано, пугает, но чаще всего мы не замечаем его еще очень долго, потому что резервы достаточно велики. Мозг настолько работоспособен, что какое-то количество потерь можно полностью игнорировать. Вопрос лишь в том, что будет, когда резервы окажутся исчерпаны. Так что в любом случае отправиться в путь с полным баком – хорошая идея.

Бегство от деменции

В свете этих данных было бы логично ожидать, что физическая активность непосредственно воздействует на заболевания, связанные с деменцией. Сегодня действительно можно с уверенностью считать, что это так. Опять же, мы не знаем, каково в этой связи значение новых нейронов, но можно предположить, что они вносят сюда определенный вклад, поскольку они есть в гиппокампе, который многие формы деменции поражают рано и очень ощутимо. На этот вклад также указывают симптомы многих подобных заболеваний. В следующей главе, где мы подробнее обсудим функцию новых нервных клеток, мы увидим, почему это так.

Поскольку у наших шведских соседей совершенно иные представления о защите персональных данных, чем у нас, на научных основаниях можно сравнить информацию из уже упомянутой базы данных медосмотров с другими базами данных, например медицинских страховых компаний. Проведя подобный анализ, Ганс Георг Кун обнаружил, что недостаточная физическая подготовка мужчин в восемнадцать лет позволяет неплохо предсказать у них развитие деменции позже в течение жизни{49}.

Если предположить, что эта взаимосвязь действительно имеет причинно-следственный характер, из этого можно (хотя и несколько умозрительно) заключить, что имеет смысл заблаговременно принимать меры для поддержания физической формы, и начинать это делать следует задолго до восемнадцатилетия. Уроки физкультуры, которыми часто пренебрегают, с учетом их воздействия на всю дальнейшую жизнь могли бы стать главным школьным предметом. Привычка к здоровому образу жизни должна развиваться рано, и она, конечно, подразумевает не только подвижность, но и питание, отказ от курения, употребления алкоголя и организацию сна. Тут есть чему поучиться.

Профилактическое действие физической активности на развитие деменции рассматривают в массе других исследований. Польза физической активности для предотвращения таких заболеваний уже не вызывает сомнений. Однако остается много неясного в вопросах о масштабе этого эффекта и о конкретных свойствах необходимого и осмысленного вмешательства, поэтому рекомендации не всегда отчетливы. При этом также существуют исследования, в которых в тех или иных условиях не удается продемонстрировать вообще никакого воздействия. Часто бывает сложно интерпретировать результаты краткосрочных исследований, ведь речь идет о заболеваниях с большой продолжительностью. Кроме того, поскольку деменцию так трудно точно диагностировать на ранних стадиях, взамен к исследованию охотно привлекают когнитивные показатели. Это, конечно, не совсем то же самое, но тем не менее результаты часто интерпретируют так (по крайней мере, в СМИ), чтобы показать прямой профилактический эффект против деменции. Это может привести к недоразумениям, разрешить которые удастся, только внимательно читая оригинальные исследования.

В последней главе мы вернемся к теме деменции и поговорим о том, каково место новых нейронов в этой концепции профилактики. Но для этого сначала необходимо наконец обратиться к вопросу, для чего вообще могут быть нужны новые нервные клетки.

8

Новые нейроны для новых мыслей

Все, что мы до сих пор узнали о новых нервных клетках, говорит о том, что они «как-то» связаны с обучением. История началась с разучивания песен у канареек, и наши мыши в обогащенной среде ее еще далеко не заканчивают. Ученых в нашей области давно уже волнует следующий большой вопрос: в чем именно функция новых нервных клеток? Нейрогенез взрослых долго считали пережитком эволюции, своего рода «птицей в каждом из нас» или «аппендиксом» мозга. Но становилось все более ясно, что это явление, в первую очередь в гиппокампе, как-то связано у нас с процессом обучения.

Обучение означает накопление опыта и, как следствие, способность прогнозировать. Джефф Хокинс, изобретатель электронной записной книжки Palm Pilot, вовремя вышел из дела и вернулся к исследованиям мозга, пока управление не перехватила Apple с ее карманными устройствами. Он сформулировал общее определение функции мозга в своей великолепной книге «Об интеллекте» (On Intelligence): по его словам, мозг – это запоминающее устройство плюс способность прогнозировать.

Если мы учимся, в будущем у нас что-то получается лучше. Что именно здесь значит «лучше», не всегда легко понять, но, обучаясь, мы как минимум не хотим повторять одни и те же ошибки. Это подразумевает способность сделать надежный прогноз того, что может произойти в жизни в следующий момент. Нам нужно постоянно учиться на опыте. Прогнозы и ожидания здесь не обязательно должны быть осознанными, отчасти их вполне можно понимать метафорически. В любом случае подробности пока неизвестны. Но основная идея очень понятна. Обучаясь, мы приспосабливаемся к обстоятельствам. Это пластичность, с которой мы познакомились в четвертой главе.

Для мозга обучение означает нечто большее, чем переключение нескольких битов с 0 на 1 или обратно. С нейробиологической точки зрения обучение почти равнозначно пластичности. Этот процесс подразумевает структурные изменения в мозге. Они происходят преимущественно на уровне контактов между нейронами, синапсов. Но отростки нервных клеток тоже пластичны и могут изменять сеть связей. Нейрогенез взрослых – это редкий частный случай, когда в сети не только появляются новые или укрепляются имеющиеся связи, но и возникают новые узлы.

В этой главе мы будем заниматься исключительно функцией новых нервных клеток в гиппокампе (отчасти потому, что о нейронах гиппокампа нам известно больше всего). О функции новых нервных клеток в обонятельной луковице мы, напротив, знаем очень мало, а в полосатом теле – вообще ничего. Какова же их роль в деятельности мозга в других зонах нейрогенеза, которых так много у некоторых животных, можно только предполагать. С другой стороны, значение нейрогенеза взрослых в гиппокампе неоспоримо. У нас есть основания сосредоточиться на этой зоне – вратах памяти.

В других областях еще многое предстоит выяснить, и можно не сомневаться, что нейрогенез взрослых в целом принесет много неожиданностей. А мы для начала займемся неожиданностями в гиппокампе.

Первая попытка объяснить функцию новых нервных клеток

Первый выстрел в вопросе о том, для чего могут быть нужны новые нейроны в гиппокампе, опять сделала Лиз Гульд. Ее совместная работа с коллегой Трейси Шорс из Принстонского университета, куда Гульд к тому времени перешла, была опубликована в 2000 году и вначале вызвала большое смятение.

Чтобы узнать, что делают новые нервные клетки, нужно нейтрализовать их действие и посмотреть, что останется от обучения и памяти. Вряд ли кто-то предполагал, что новые нейроны – это память сама по себе. Для этого клеток было слишком мало, а их расположение на входе в гиппокамп казалось не очень подходящим. Но что тогда? Все усложнялось тем, что исследованиями зубчатой извилины не то чтобы совсем пренебрегали, но внимания им уделяли значительно меньше по сравнению с другими участками гиппокампа, в первую очередь с CA1.

Дискуссию вызвало не только то, что Гульд и Шорс использовали метод с довольно сильными побочными эффектами, с помощью весьма жесткого химиотерапевтического средства блокировав в гиппокампе крыс деятельность стволовых клеток и тем самым нейрогенез взрослых. Помимо этого, в качестве функции для исследования они выбрали выработку условного мигательного рефлекса. Иными словами, исследовательницы применили не что иное, как основной научный метод бихевиоризма: в процессе выработки условного рефлекса индивид учится связывать между собой два стимула таким образом, что впоследствии одного из них достаточно, чтобы наступила реакция, которую исходно вызывал только другой. Для этого использовали мигательный рефлекс. Крысы слышали звук, сразу за ним следовал короткий порыв сквозняка, из-за чего крыса моргала. Через некоторое время, чтобы крыса моргнула, стало достаточно одного звука. В принципе, то же самое происходит, если вы научились жмуриться при одной только угрозе удара в литавры, а не тогда, когда это уже действительно произошло.

Идея о том, что данный рефлекс связан с гиппокампом, вначале озадачила даже специалистов. Но это действительно так: при очень коротком промежутке между звуком и сквозняком связь устанавливается с использованием этой области. Значит, чтобы произошло обучение, нужен работающий гиппокамп. При более длинном промежутке дело уже обходится без него.

Однако результаты самого опыта были весьма недвусмысленными. В отсутствие нейрогенеза связь между звуком и мигательным рефлексом не устанавливалась. В случае более длительного интервала, когда обучение не зависело от деятельности гиппокампа, оно успешно протекало и без нейрогенеза взрослых.

В целом эта парадигма вызывает определенные трудности для интуитивного понимания, но она хорошо исследована и непротиворечива. С другой стороны, в доказательстве использовалась очень абстрактная и при этом, можно сказать, примитивная форма обучения. С помощью эксперимента удалось показать, что нейрогенез взрослых в гиппокампе, возможно, для обучения необходим. Но конкретный пример, вид этого процесса не мог служить сильным аргументом. Центральный посыл статьи состоял в том, что для обучения с использованием гиппокампа нужны новые нейроны, и этот результат приняли с радостью; но выучен здесь был бихевиористский условный рефлекс моргания. Это не самый типичный пример гиппокампального обучения.

Общественность рассчитывала на большее, особенно учитывая ожидания, которые породили данные о канарейках. Люди не могли понять, каково реальное значение этого узкоспециализированного результата, а других доказательств пока не было. Но, к счастью, они не заставили себя ждать.

Как и в этом первом опыте, основная идея всех последующих экспериментов состояла в том, чтобы избирательно подавить у подопытных животных нейрогенез взрослых, по возможности не вызывая каких-либо побочных эффектов, которые тоже могли бы повлиять на их способность к обучению. Ученые предполагали, что функция новых клеток довольно тонкая. Поэтому стресс повредил бы эксперименту.

В методе Лиз Гульд использовался цитотоксин, который не давал стволовым клеткам производить новые нейроны и вызывал не так уж мало побочных эффектов. В позднейших опытах для этого применяли сфокусированное облучение, которое также встречается в лечении рака, и сложные генетические методы. Мы сами успешно использовали химиотерапевтическое средство, с помощью которого обычно лечат опухоли мозга. Пациенты переносят его так хорошо, что его можно вводить в амбулаторном режиме. Поэтому мы могли предполагать, что побочные эффекты в опытах будут минимальными.

В конце концов из всей массы исследований и широкого спектра методов выстроилась довольно сложная, но в основе своей непротиворечивая картина, которая уже далеко не ограничивается мигательным рефлексом и затмила собой даже разучивание песен у канареек.

Условный рефлекс страха

Представьте, что вы едете в лифте с группой мужчин. Они пьют пиво, они только что вернулись из леса с двухнедельного тренинга выживания и первый раз после этого собираются в душ. Вдруг раздается скрежет, и лифт застревает. Вас освобождают лишь через три часа. Понятно, что в ближайшие дни и недели вы будете избегать этого лифта, а от любого скрежета или от запаха пива и грязных футболок у вас будет учащаться пульс. Так очень быстро сформировалась связь между контекстом «этот лифт», «запах пива» и «пот» и страхом застрять. Это называется «условный рефлекс страха».

Следующий большой шаг к ответу на вопрос о функции новых нейронов был сделан с помощью опыта на основе условного рефлекса страха. Здесь мышь помещали в новую обстановку (условный лифт), где она получала хоть и не очень болезненный, но неприятный удар электрическим током – аналог застрявшего лифта. На следующий день мышь сжималась и замирала сразу, как только ее снова сажали в ту же самую клетку. Животное вновь оказывалось в условиях клетки, и этого было достаточно, чтобы воспоминание о неприятном ударе тока вызывало страх. Таким же образом лифт вызывает неприятное воспоминание о том, как вы застряли в нем с потными любителями активного отдыха. Интересно, что деятельность гиппокампа при этом обеспечивает только ассоциацию с лифтом, а не со звуком или запахом. Другие ассоциации формирует миндалевидное тело, находящееся за пределами гиппокампа.

Несложно представить условный рефлекс страха как очень простую, но вполне удачную модель переработки травматичного опыта. Здесь тоже достаточно малого, чтобы снова вызвать к жизни старые реакции. Собственно, исследователям удалось показать, что такое выучивание контекста обусловлено деятельностью гиппокампа, и для этого действительно нужны новые нервные клетки.

Прорывом здесь было конкретное указание на «контексты», которые в дальнейшем сыграли важную роль. Но в опытах был и некоторый изъян. Запоминание контекста – это определенно нечто более значимое, чем мигательный рефлекс, но контекст здесь был в основе своей отрицательным. Отсюда и близость к травматизации. Нетрудно предположить, что все то же может быть верно и для позитивной ситуации, но доказано это не было. Тем не менее с помощью условного рефлекса страха мы смогли выяснить массу подробностей о том, каким образом новые нейроны участвуют в обучении, обусловленном деятельностью гиппокампа.

Путь указывают компьютерные модели

И все же некоторые исследователи, и я в том числе, чувствовали, что по-настоящему выяснить, зачем нужны новые нервные клетки, таким образом невозможно. Мы считали, что ключом к пониманию нейрогенеза взрослых должна быть функция зубчатой извилины. Новые клетки – зернистые, они встраиваются в ее сеть. Структура связей в зубчатой извилине хорошо известна, поэтому можно было ставить очень конкретные вопросы о том, как эта сеть изменится, если добавить пару новых нейронов.

Для этого можно смоделировать зубчатую извилину на компьютере и проверить, что будет, если изменить в этой модели количество клеток. Сложность с подобными компьютерными моделями в том, что результат, конечно, очень сильно зависит от их устройства: настолько, что некоторые утверждают, будто с их помощью можно доказать все, что угодно, и они показывают лишь, в чем именно были предвзяты их создатели. Разумеется, в этом есть доля истины, но в конечном счете отсюда следует только то, что такая модель требует очень тщательного рассмотрения с учетом решений, которые она предлагает, и что лучше всего сравнить между собой несколько моделей.

Так и произошло, потому что разные группы ученых испробовали этот подход параллельно и с совершенно разными идеями.

Самые обширные исследования на эту тему провел Брэд Аймон, который работал с Фредом Гейджем. Его модель была самой сложной и очень далеко продвинула науку вперед{50}. Однако, как ни странно, его прогнозы оказались совсем недалеки от того, что на основании гораздо более простых моделей предположили мы с моим коллегой Лауренцем Вискоттом или канадская исследовательница Сью Беккер. В конечном итоге это сильно успокаивало: гипотеза была в достаточной степени независима от модели, на основе которой ее развивали.

Брэд Аймон видит в новых клетках возможность снабдить информацию своего рода временнóй отметкой, в результате чего они помогают соответствующим образом регистрировать вещи, связанные друг с другом по времени. Это тоже контекстуализация, в данном случае в первую очередь временнáя. И хотя в случае условного рефлекса страха исходно речь шла о пространственном обусловливании (клетка, лифт и т. д.), конечно же, важно, как именно нахождение в данном контексте связано с неприятным опытом во времени. Только так может сформироваться условный рефлекс.

Здесь напрашивалось очень интересное обобщение. Дело в том, что уже некоторое время существовала теория, согласно которой важная функция гиппокампа состоит в так называемой сепарации паттернов (pattern separation), то есть в способности воспринимать различные, но похожие между собой и близкие во времени раздражители отдельно. Это та же временнáя отметка, но в другом обличье, и здесь был сделан существенный шаг вперед.

Последовала целая череда работ, где удалось более или менее хорошо показать, что новые нервные клетки действительно способны улучшить деятельность зубчатой извилины в плане сепарации паттернов. Модели Аймона выдержали испытание экспериментом, гипотеза, полученная на компьютере, подтвердилась.

Мы с Лауренцем Вискоттом придумали значительно более простую модель сети гиппокампа{51}. Согласно нашему предположению, функция новых клеток должна быть настолько базовой, что она проявилась бы даже в существенно редуцированных моделях. Так оно и было. Наша модель показала, что гиппокампальная сеть с новыми нейронами, сталкиваясь с новыми условиями, делает меньше ошибок, чем в отсутствие новых клеток. Если хорошенько подумать, это не так уж далеко от идеи сепарации паттернов, но у нас на уме был несколько иной аспект: мы думали о гибкости. Новые нейроны могли бы быть решением главной проблемы сетей: как они обращаются с новой информацией? Наша модель подтвердила, что нужно совсем немного новых клеток, и сеть будет менее склонна к ошибкам, когда от нее требуется гибкая реакция.

Парковочная аналогия

Сью Беккер из Канады пришла к совершенно аналогичному выводу и выразила всю идею через легко запоминающуюся аналогию. Если угодно, ее можно было бы представить в лос-анджелесской формулировке и в мюнстерской версии. Сью Беккер выбрала североамериканский вариант: допустим, вам приходится каждый день ездить на работу на машине, и вы всегда оставляете ее на гигантской парковке вашей фирмы. Каждый день вам нужно запоминать, где вы припарковались. Свое знание об этой парковке вам ежедневно приходится дополнять единственной, но важнейшей деталью, а именно где вы сегодня оставили автомобиль. Для этого не нужно забывать (или перезаписывать), где вы парковались вчера, – эта информация не имеет никакого значения. Помните ли вы, где оставляли машину 27 июля прошлого года, не поможет вам снова найти ее сегодня вечером.

Вряд ли вы решите эту задачу, если запомните, что остановились возле желтого автомобиля. Желтый автомобиль к вечеру может уехать, кроме того, на этой парковке таких машин может быть много. Лучше сделать вот что: мысленно нанести в правильное место на карте парковки, которую вы уже давно запечатлели в уме, новый крестик, и опять же в уме и совершенно бессознательно добавить временнýю отметку.

Илл. 24. Аналогия между функцией новых нейронов, которые образуются в гиппокампе взрослого, и парковкой показывает, что новые нервные клетки используются для гибкой актуализации имеющегося знания. Точно так же на парковке приходится заново искать место и опять запоминать, где именно вы поставили машину, причем для этого не нужно с нуля заучивать «всю парковку» или забывать, где автомобиль стоял вчера

Легко понять, как здесь сходятся различные гипотезы о функции новых нейронов. Речь о том, чтобы гибко вносить новую информацию в воспоминания и представления. Для этого нужно определить и знать, что в ситуации изменилось, а также представлять себе контекст. Новую информацию нужно связать с контекстом и гарантировать, чтобы она распознавалась как новая – до следующего дня, когда поступят другие сведения о другом свободном месте на громадной парковке, которое не следует путать со старым.

А мюнстерская версия? Все то же, только с велосипедами на вокзале…

Новые нейроны в водном лабиринте

Мы с моим коллегой Александром Гарте немного злились, что великолепная парковочная аналогия пришла в голову Сью Беккер, а не нам. Но мы сказали себе, что, если эта идея верна – а мы со всей ясностью осознавали ее очевидность, потому что этот вывод откровенно напрашивался из совместных работ с Лауренцем Вискоттом, – то отсутствие новых нейронов должно также проявляться в испытаниях, которые были бы ближе к жизни, чем мигательный рефлекс, условный рефлекс страха и диковатые эксперименты с сенсорным экраном на мышах, где те в качестве пальца используют нос (с помощью последних подтвердили гипотезу сепарации паттернов).

Однако, к сожалению, различные исследования показали, что результаты, которые мыши и крысы демонстрируют в водном лабиринте Морриса, не слишком зависят от того, исключены ли новые нейроны из процесса или включены в него. Существует линия мышей, у которых не хватает определенного гена – по прихоти природы у этих животных он отвечает исключительно за деление стволовых клеток в гиппокампе. Этих мышей вдоль и поперек исследовали в различных тестах, включая тест Морриса. Было ясно: для обучения «как такового», в какой бы степени оно ни было обусловлено функциями гиппокампа, новые клетки не нужны. Но мы предположили, что эти тесты, возможно, не подходят для тех аспектов обучения, за которые отвечают новые нервные клетки. Поэтому, исходя из своих теоретических рассуждений, мы использовали вариант водного лабиринта, в котором можно измерить гибкость в обучении. Мышей учат находить платформу в бассейне, затем, на следующий день, коварно перемещают ее в другое место, а животным ничего не говорят. Разумное поведение с их стороны – сначала посмотреть в старом месте, а потом быстро пуститься на поиски, используя при этом знания из первого тура. Мы обнаружили, что мыши без новых нервных клеток прекрасно обучались в первом раунде, хотя, может быть, и немного медленнее, чем животные, у которых шел нейрогенез взрослых. Но затем они гораздо дольше искали платформу на старом месте, прежде чем приняться за обучение вновь. Они залипли на старой информации, были менее гибкими{52}. Это хорошо сочеталось с нашей гипотезой.

Илл. 25. Мыши проходят тесты обучения на компьютере. Сенсорный экран реагирует на касание кончиком носа. В том числе такое испытание подтвердило, что новые нейроны важны для когнитивной гибкости и переосмысления информации

Когда нейрогенез взрослых простимулировали физической активностью или пребыванием в обогащенной среде, гибкость тоже повысилась{53}. Это сочеталось с гипотезой еще лучше.

Больше всего поведенческих экспериментов, посвященных функции новых нейронов и вопросу, как обучение способствует нейрогенезу взрослых, провела Нора Абру и ее коллеги из Бордо. С годами сформировалась очень впечатляющая и сложная картина, подробностей в которой гораздо больше, чем мы можем рассмотреть здесь. Например, Нора Абру прицельно исключала новые нейроны из процесса обучения точно в определенные моменты времени{54}. При этом она также установила, что значение имеют не только сохраняющиеся новые нейроны, но и то, что другие клетки уничтожаются, – предполагается, что они могли бы сформировать противоречивые ассоциации. Однако самое главное, что у Норы Абру тоже вырисовывается все более конкретное представление о значении пластичности, которую обеспечивают новые нервные клетки, и что взаимосвязь здесь обоюдная. Иными словами, нейрогенез взрослых способствует когнитивной деятельности, которая, в свою очередь, влияет на нейрогенез взрослых.

Среди публикаций Норы Абру есть работа, темой которой заявлена гибкость и где из несколько иных предположений она пришла к тем же выводам, что и мы. Затем, наконец, в 2014 году Майкл Дрю и его коллеги с помощью аппарата с сенсорным экраном, который позволяет продемонстрировать сепарацию паттернов у грызунов, показали, что новые нейроны и здесь участвуют в переучивании и обучении заново. Итак, гипотезы действительно сходятся в одну точку{55}.

Новые нейроны помогают забывать

Большое удивление и некоторое смятение вызвала сенсационная работа Пола Франкленда и его коллег из Торонто. Франкленд показал, что выученное знание без новых нервных клеток не может быть забыто{56}. Для этого он в первую очередь опять же использовал условный рефлекс страха определенного рода, но в сложных, хорошо продуманных вариантах. Если отключить формирование новых нервных клеток после обучения, неприятная ассоциация сохранялась дольше, чем при наличии нейрогенеза взрослых.

На мой взгляд, это не так уж далеко от «нашей» гибкости обучения. В этой модели тоже показан дефицит пластичности в отсутствие новых клеток. Но Франкленд сделал акцент на другом интересном моменте. Поскольку нейрогенез столь активно протекает в начале жизни и так сильно сокращается после подросткового возраста, он установил связь с так называемой инфантильной амнезией. Под ней подразумевают тот факт, что, хотя за первые три-четыре года жизни мы узнаем невероятно много, мы также очень многое из этого безвозвратно забываем. Ни у кого из нас нет собственных воспоминаний о своей жизни до третьего или даже четвертого дня рождения.

Интересно, что нечто подобное постулировал уже Джозеф Альтман, хотя и для более позднего жизненного периода. Он размышлял о том, что, возможно, новые нервные клетки нужны конкретно для омоложения и обновления мозга. Их нет при повреждениях, когда могла бы потребоваться регенерация. Но, как порою с прискорбием узнают родители подростков, они физиологически присутствуют в ходе полового созревания. Речь здесь идет не о забывании, но о гибкой реорганизации. Ирмгард Амрайн и Ганс Петер Липп из Цюрихского университета решительно выступили в поддержку этой гипотезы о переходном возрасте и хорошо проработали ее{57}. Конечно, половое созревание и инфантильная амнезия – это не одно и то же, и годы, разделяющие их, имеют определенное значение, но не исключено, что в действительности за фундаментальной и весьма схожей в обоих случаях реорганизацией гиппокампа с участием новых нервных клеток можно увидеть связующий их общий механизм.

Дилемма стабильности-пластичности

Как же все это подытожить? Я считаю, что новые нервные клетки в гиппокампе нужны затем, чтобы гибко интегрировать новую информацию в имеющийся контекст. Они обеспечивают возможность приспосабливаться к новизне и сложности и повышают адаптивность. Тот, у кого много новых нервных клеток, лучше справляется в жизни, полной переживаний и новых испытаний.

Некоторые коллеги в своих интерпретациях концентрируются на других моментах, и можно, конечно, вести прекрасные споры о том, где на самом деле кроется суть. Это дело хорошее, оно способствует развитию дальнейших исследований, если все происходит цивилизованно и в лучшем смысле слова академично. Или можно попытаться дать еще более абстрактное толкование, которое лежало бы в основе различных взглядов. Шаг в этом направлении был сделан, когда стали подчеркивать значение новых клеток для сепарации паттернов, но можно пойти еще глубже.

Каждая нейронная сеть, которой постоянно приходится обучаться, вынуждена решать фундаментальную дилемму стабильности-пластичности. Под этим понимают следующую проблему: сеть с высокой пластичностью легко и много учится, но выученный материал трудно сохранить, потому что поверх него сразу записывается следующая новая информация. С другой стороны, сеть с высокой стабильностью лучше всего способна хранить выученный материал и обращаться к нему, но практически не может усвоить ничего нового. Таким образом, всегда нужно искать сбалансированный срединный путь, где максимальный возможный уровень стабильности будет сочетаться с необходимой степенью пластичности (или наоборот, необходимая степень стабильности – с максимальным возможным уровнем пластичности).

Нейрогенез взрослых создает для этого идеальные условия. Старая сеть может оставаться стабильной, тогда как новые узлы обеспечивают дополнительную пластичность, но не за счет старых связей. Все это точно дозируется и регулируется таким образом, чтобы обеспечивать пластичность по потребности. Потребность же определяется поведением индивида.

Но почему нейрогенез взрослых – это исключительный случай, а не распространенная стратегия для решения описанной дилеммы? Может быть, дело в особом устройстве сети в зубчатой извилине, может быть – в эволюционных случайностях. Это нам неизвестно. Когда речь идет об эволюции свойств, вопрос, почему так, а не иначе, не имеет смысла. Эволюция не может спросить себя об этом, значит, к сожалению, не можем и мы.

9

Что меняет нейрогенез взрослых

Решение написать эту книгу выросло не только из восхищения новыми нейронами как таковыми, но и благодаря оптимистичному взгляду на тему старения мозга, которая сама по себе дает мало оснований для надежды. Иными словами, меня побудила к этому радость, вызванная во всех отношениях позитивным развитием области. Знание о том, что структура мозга в процессе деятельности и тренировок может приспосабливаться даже на уровне нейронов, окрыляет. Это не единственный возможный подход к исследованиям когнитивного старения и нейродегенеративных заболеваний. Извлечь из него пользу – задача вовсе не тривиальная. Таким образом, эта книга призвана не только рассказать захватывающую историю о том, как нейрогенез взрослых поставил изучение мозга с ног на голову. Речь идет также о принципиально ином взгляде на деятельность мозга и, например, на проявления нейродегенеративных заболеваний, чем тот, что был принят долгое время. Это взгляд с позиций пластичного мозга, который всю жизнь находится во взаимодействии с окружающей средой и ее задачами и подстраивается под них.

Этот новый взгляд складывается из общей картины того, как данная научная область развивалась в последние 20–30 лет. Открытие стволовых клеток мозга и нейрогенеза взрослых еще раз в корне изменило исследования пластичности мозга. В результате нейрогенез взрослых быстро стал популярной темой. Разумеется, это вызывает некоторые проблемы.

Дело в том, что это воздействие новых нейронов на наше представление о старении мозга носит скорее символический характер. В повседневной практике мозг по-прежнему плохо регенерирует. А простое знание о стволовых клетках и пластичности еще ничего не дало множеству пожилых людей, которые чувствуют на себе безжалостное действие времени, а также больным деменцией.

И все же главная мысль этой книги – идея об индивидуальном, уникальном пути развития мозга, которое в форме нейрогенеза взрослых (наряду с другими проявлениями пластичности) длится всю жизнь. Наш мозг – это не компьютер, до мельчайших деталей смонтированный по жесткой схеме. В известных пределах он продолжает развиваться, пока мы живы. Даже немногочисленные новые нервные клетки участвуют в этом подстраивании структуры мозга до глубокой старости. В конце жизни наш мозг отличается от того, каким он был в начале. Не только потому, что память заполнилась и уже частично очистилась, но и потому, что его структура меняется в зависимости от выученного и пережитого нами. Воспоминания – это не что-то эфемерное, бестелесное, не «дух в машине» (как сказал Гилберт Райл[38]), они содержатся в изменениях структуры нашего мозга.

Таким образом, у каждого человека в буквальном смысле слова свой личный мозг. Забота о его развитии в течение всей жизни – тоже очень личное дело. Наш мозг несет в себе следы всего пережитого опыта; опыт – и есть эти следы. Психоанализ пытается определить воздействие опыта на функциональном, содержательном уровне, лишь в ограниченной мере учитывая аспект развития и пластичности. Вопрос о тесной связи между развитием и пластичностью, с одной стороны, и структурой мозга, которая лежит в основе всего, – с другой, здесь почти полностью игнорируется. Я уверен, что нам не удастся полностью понять психодинамику, пока мы не понимаем мозг.

Проклятие XXI века: деменция

Хронические заболевания – бич современности. Ими рок настойчиво напоминает о себе, они не по зубам научному прогрессу. Деменция черной тучей висит над мечтой о безоблачном закате жизни и превращает мысль о ее продлении в кошмар.

До середины XX века человечество терзали другие демоны, которые теперь в массе своей нам не страшны. Тогда основной причиной смерти были инфекционные заболевания. В начале XX века эпидемия гриппа унесла больше жертв, чем Первая мировая война прямо перед этим. Неизгладимый отпечаток на общество наложил туберкулез. В Берлин-Бухе и сегодня можно увидеть здание больницы, которую тогда построили подальше от ворот самого города, чтобы обеспечить больных свежим воздухом и изолировать от здоровых людей. А вспомните «Волшебную гору» Томаса Манна с ее болезненной атмосферой, представленной как симптом целой эпохи: туберкулез густой пеленой окутал тот век. Неврология и психиатрия формировались под действием эффектов, которые, например, оказывает на мозг сифилис – еще одна инфекционная болезнь.

Полиомиелит (детский паралич), с которым боролся Джонас Солк, был таким же страшным демоном – эта, тогда весьма распространенная детская болезнь, нередко смертельная, очень часто обрекала на пожизненную инвалидность тех, кто ее перенес. Среди детских заболеваний ему не было равных. Полиомиелит вызывает вирус – полиовирус, поэтому периодически (чаще всего летом) он возникал в форме эпидемии, подобной вспышке лихорадки Эбола в Западной Африке. В 40-е и 50-е годы XX века американские родители летом бежали с детьми от этого кошмара в горы или в Европу.

Эпидемии вирусных заболеваний, когда те резко распространяются среди населения, вспыхивают потому, что эти болезни заразны. Деменция и другие нейродегенеративные заболевания весьма распространены и в целом встречаются все чаще, но не из-за заразности (это им не свойственно), а потому что у стареющего населения накапливается благоприятное для заболевания воздействие генетических и негенетических факторов.

Полиовирус переносится слизистой оболочкой кишечника и довольно заразен, в гораздо большей степени, чем ВИЧ или вирус Эбола. В отличие от дегенеративных заболеваний, которые, кажется, сегодня представляют все бóльшую угрозу для жизни, в случае полиомиелита была известна его конкретная причина. Поскольку антибиотики, которые практически истребили ряд мучавших человечество болезней к середине XX века, на вирусы не действуют, помочь могла только прививка. Ученые лихорадочно искали вакцину против полиомиелита. В гонке победил Джонас Солк, получивший ее в 1955 году. За несколько лет полиомиелит исчез почти полностью.

Илл. 26. Исчезновение полиомиелита – один из больших успехов медицины XX века. Благодаря ему Джонас Солк также получил возможность построить свой институт

Человечество также с нетерпением ждет счастливого конца в истории с дегенеративными заболеваниями – настоящего прорыва, победы, можно сказать, в кратчайшие сроки. Но деменция и нейродегенеративные заболевания по своему характеру принципиально отличаются от инфекционной болезни, и потому крайне маловероятно, что мы или наши дети дождемся сообщения о том, что деменция повержена. Ее невозможно уничтожить, как вирус.

Люди постоянно предполагали и в определенной степени надеялись, что все же найдут возбудителя болезни Альцгеймера или Паркинсона. Идея в том, что, если бы у нас была простая причина, вскоре нашелся бы и подход к лечению.

Именно такой маловероятный случай произошел с язвой желудка, которая много десятков лет считалась по сути психическим (точнее, психосоматическим) заболеванием, тяжело поддающимся лечению, в основном лишь симптоматическому: Барри Маршал и Робин Уоррен обнаружили, что это заболевание вызывает бактерия Helicobacter pylori. Сначала над их открытием смеялись. Но сегодня с помощью антибиотиков классическую язву желудка почти уничтожили. В 2005 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.

Еще более известная история, гораздо ближе стоящая к проблеме деменции, произошла с «прогрессивным параличом», который к концу XIX века был самым распространенным тяжелым нейропсихиатрическим заболеванием. Это клинические проявления сифилиса. Когда нашли антибиотик против бледной трепонемы, возбудителя данной болезни, «прогрессивный паралич» исчез. Подобные истории успеха объясняют, почему люди надеются, что такое же решение найдется для заболеваний, сопровождающихся деменцией.

В области инфекционных заболеваний тоже есть еще серьезные нерешенные проблемы, например малярия, Эбола и ВИЧ – они сменили собой уже решенные, такие как туберкулез, и те, которые, возможно, окажутся неразрешимыми из-за постоянно меняющихся штаммов вирусов гриппа. Но, по крайней мере, у них есть понятная однозначная причина, причем причина внешняя.

В случае же дегенеративных заболеваний причина, насколько нам известно, кроется глубоко внутри организма. Она генетическая, как и у рака, но не в том смысле, что это наследственная болезнь, легко передающаяся, как розовые цветки при менделевском скрещивании, а в том, что у нее сложный генетический характер. Он проявляется в зависимости от условий среды. При этом в генетическом смысле «среда» – это практически все, кроме самих генов.

Сегодня все еще нельзя исключить, что отдельным дегенеративным болезням удастся получить удивительно простые объяснения. Но шансы на это уменьшаются, и в большинстве случаев мы уже уверены, что за нейродегенерацией стоит сложное заболевание. Предпосылки дегенеративных заболеваний могут быть столь разнообразными, что принципиально невозможно найти против них единое средство.

Вообще-то это не исключает того, что когда-нибудь у нас будут прививки, успешно действующие против дегенеративных болезней (например, сейчас идут испытания первых прививок от болезни Альцгеймера, к сожалению с очень скромными результатами). Но по своему действию они будут принципиально отличаться от полиомиелитной вакцины, которую разработали Джонас Солк и Альберт Сейбин.

В принципе, подход к сложным неоднородным заболеваниям не обязательно должен, в свою очередь, быть сложным, но должен быть достаточно гибким, чтобы адекватно реагировать на сложный характер болезни. Как и рак, деменция – это не одна болезнь. Если говорить точно, деменция – это вообще не болезнь, а симптом множества разнообразных заболеваний. В этом и заключается запредельная сложность в поисках успешного лечения.

Если не излечить, то сдержать и отсрочить

Все сложные заболевания характеризуются «факторами риска». Это значит, что, если на человека действует один или более из этих факторов, увеличивается риск развития болезни. Болезнь Хантингтона составляет исключение среди нейродегенеративных заболеваний. Ее вызывает мутация одного определенного гена, в этой форме она передается по наследству, иными словами, это моногенное заболевание. Здесь между причиной и следствием очень простая связь. Течение заболевания остается сложным, но каузальная связь проста. Иногда болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона бывают вызваны известными единичными мутациями, но это исключения. Большинство случаев имеют сложную генетическую картину и находятся под влиянием факторов окружающей среды. Окружающая среда здесь – это не зеленый или серый мир за окном, а все, что не имеет отношения к генетике. Иными словами, мы видим ту же картину, с которой познакомились, когда говорили о развитии мозга и пластичности. Сложные свойства определяют гены и среда, это же верно для сложных заболеваний, к каковым относятся и нейродегенеративные. Они, в свою очередь, представляют собой род неправильного развития.

Это более очевидно в случае рака, когда все-таки что-то растет, чем при дегенерации, когда клетки гибнут. Но медленная гибель также вызывает многогранную реакцию. Телу приходится годами и десятилетиями справляться с болезнью, как правило, задолго до проявления ее видимых симптомов. Это снова неизбежно ведет к процессу, затрагивающему пластичность. Нейродегенеративные изменения относятся к проблемам, которым мозгу приходится противодействовать. Таким образом, течение болезни определяют факторы, сложное сочетание которых составляет ее причину, а также факторы, от которых зависит, что организм может этим процессам противопоставить. В случае инфекционных заболеваний это опять же более заметно. Здесь болезнетворный микроб и его воздействие противостоит иммунной системе с ее защитными механизмами. Риск заразиться осенью зависит не только от того, подавал ли вам немытую руку сосед с насморком, но и от того, насколько иммунная система у вас крепкая. Ей можно помочь, например, если самому мыть руки.

Таким образом, существуют разные классы факторов риска: те, что нам неподвластны, и те, на которые мы можем повлиять. К первым преимущественно относятся гены, которые отвечают за саму болезнь или за сопротивление ей, а к последним – наше поведение, которое содействует или препятствует болезнетворному процессу или борьбе с ним.

Такие факторы можно определить путем очень дорогих исследований на больших группах людей. Например, о болезни Альцгеймера известно, что около 4 % случаев имеют чисто генетическую причину. Тогда болезнь регулярно возникает в роду и, как правило, проявляется раньше, чем в других случаях (которые называют спорадическими). В спорадических заболеваниях гены тоже играют важную роль. Но это «гены риска», вариации которых (назвать их мутациями ученые опасаются) повышают риск заболевания, хотя сами по себе они вызвать его неспособны. Самая известная генетическая вариация при болезни Альцгеймера – ApoE4. У людей с этой вариацией аполипопротеина E риск развития болезни в два раза выше. Но, хотя ApoE4 – сильнейший из известных генетических факторов риска для этого заболевания, им объясняется лишь около одной пятой генетических рисков. Люди с «хорошей» вариацией все равно могут заболеть.

Сегодня известно три других гена риска для болезни Альцгеймера, но вместе они все равно объясняют лишь 15 % рисков. Остальное относится к среде и поведению, а также к долгосрочным изменениям в наших клетках под влиянием взаимодействия генотипа и среды.

Отсюда также вытекает многообразие вариантов, как воздействовать на болезнь, будь то превентивно или терапевтически. Редко бывает, что у болезни есть единственная определенная причина, которую можно было бы лечить, и также редко можно найти определенную пригодную стратегию, изолированно нацеленную на причину заболевания.

В случае деменции альцгеймеровского типа известны различные факторы риска, которые могут быть модифицированы, в том числе повышенное кровяное давление и лишний вес в среднем возрасте, депрессия, курение, низкий культурный уровень и недостаток физической активности. По оценкам, модифицируемые факторы объясняют около одной трети совокупного риска деменции альцгеймеровского типа. Кроме прочего, это, например, означает следующее: если бы удалось сократить воздействие каждого из этих шести факторов всего на 10 %, число новых случаев болезни Альцгеймера в 2050 году упало бы почти на 8 %{58}. Звучит, как будто это совсем немного, но эффект был бы огромным. Ведь, заметьте, речь идет о новых случаях. Поскольку больные живут по многу лет, такое сокращение, подобно сложному проценту, имеет эффект рычага и гораздо сильнее влияет на количество больных. А для отдельно взятого человека каждый год, когда он (еще) не страдает от деменции, – это подаренный ему год жизни.

Если бы было какое-то другое средство, которое могло бы сколько-то надежно, при определенной удаче, обеспечить подобный эффект, к нему бы прибегали очень охотно. Но менять свою жизнь трудно, мало кому нравится это делать. Вопрос физической активности особенно непривлекателен для многих людей. Фитнес-центры приносят владельцам значительно меньше денег, чем какой-нибудь настоящий хит фармакологии, так что с экономической точки зрения продвигать это неинтересно.

Между тем не исключено, что это ложный вывод, потому что в один прекрасный день снижение пенсионного возраста может стать нереальным в силу политических причин. Ведь кто дольше работает, тот сильнее укрепляет экономку. Одно упоминание этого факта может немедленно повлечь за собой жесткий упрек в «неолиберализме». При ближайшем рассмотрении аргумент выглядит странно. Человек отказывается сделать для себя что-то хорошее, потому что общество может с этого что-то получить и – здесь, как ни печально, истинная суть отказа – использовать ваш вклад.

В конечном итоге никакие средства против нейродегенерации не зарекомендовали себя столь эффективными, как вмешательство на уровне образа жизни. Но для науки и медицины важно, как, собственно, возникает этот эффект. Конкретно в случае значения физической активности ответ нетривиален. Как бы убедительно ни выглядела ситуация, на самом деле она не слишком ясна.

В любом случае это как-то связано с пластичностью. И здесь в игру снова вступает нейрогенез взрослых.

Теория резервов нейрогенеза

Уже давно известно, что, например, при деменции альцгеймеровского типа объем изменений в мозге не очень хорошо коррелирует с когнитивными изменениями, от которых страдают пациенты. В мозге совершенно «нормальных» в когнитивном плане людей тоже есть бляшки, типичные измененные белки, которые встречаются при болезни Альцгеймера и каким-то образом участвуют в ее развитии, причем мы до сих пор не знаем как. Может быть, у этих счастливчиков болезнь Альцгеймера есть, а нет лишь симптомов, которые обычно с ней ассоциируются?

Да, бывают крайние случаи, когда когнитивные способности человека оставались в норме, а при обследовании его мозга после смерти обнаруживалось, что тот выглядит как мозг больного, страдающего тяжелой деменцией. При этом бывает и наоборот, когда налицо все симптомы деменции альцгеймеровского типа, несмотря на то что мозг в основном выглядит нормально.

Эти и похожие наблюдения привели к развитию теории так называемых когнитивных или нейральных резервов, с которыми мы познакомились в предпоследней главе. Под этим понимают способность мозга компенсировать хронические повреждения. Идея проста: если заполнить бак целиком, пройдет больше времени, прежде чем он опустеет. Если стартовать с полупустым баком, далеко не уедешь.

Таким образом, в соответствии с этой концепцией, различия в клинической картине у того или иного больного объясняются не обязательно проявлениями самой болезни, а в первую очередь тем, каким образом мозг больного с этими проявлениями обходится. Вероятно, значительно сильнее различаются компенсаторные возможности отдельных людей, а не само течение заболевания.

Итак, мозгу вполне есть что противопоставить деменции. Насколько болезнь проявляется у отдельного человека и как она прогрессирует, зависит от множества факторов, не только от самого течения заболевания. Но если это так, встает вопрос, можно ли вообще говорить о неком изолированном патологическом процессе. Существует ли общий знаменатель? Если нет, наверно, это все равно более или менее полезная концепция. При этом в реальной жизни вообще невозможно абстрагироваться от другой стороны болезни – ее течения в конкретном случае. Современную медицину как раз часто упрекают в том, что она якобы пытается это делать. В больницах или частных клиниках, когда они пропитаны грубым духом коммерции, это действительно нередко случается, но «медицина», и в первую очередь врачи, которые в ней работают, как правило, отлично осознают несоответствие.

Резервы и вопрос о том, как далеко они простираются, составляют существенный фактор нейродегенеративных заболеваний. Резервы определяют, насколько гибко мозг решает проблемы когнитивного старения и готов ли он хотя бы некоторое время бороться с нейродегенеративными заболеваниями, и, со своей стороны, зависят от генетических факторов и механизмов, которые стимулирует деятельность.

Наконец, такой резерв воплощает в себе нейрогенез взрослых, хотя резерв этот и очень необычный, и, конечно, не всегда доступный. Это яркий пример пластичности, но в то же время исключение, а не правило. И все же в случае этого явления структуру и функцию (по крайней мере, у подопытных животных) можно непосредственно наблюдать, измерять и количественно выражать на клеточном уровне.

С другими описанными когнитивными резервами это сделать значительно сложнее. Они остаются более размытыми, и в целом непонятно, как, например, могли бы выглядеть структурные резервы коры головного мозга. Нейрогенез взрослых и «резервы нейрогенеза», которые образуются благодаря ему, – это верхушка айсберга. К сожалению, у человека их невозможно наблюдать непосредственно. Было бы чудесно, например, если бы мы могли видеть и количественно оценивать новые нервные клетки человека в магнитно-резонансном томографе. Но клеток слишком мало, и сами они слишком малы, чтобы их можно было разглядеть на изображении мозга.

Теория резервов нейрогенеза гласит, что, если человек ведет активную жизнь, полную впечатлений, на которых можно учиться, – лучше всего с ранней юности, когда нейрогенез взрослых и, как следствие, пластичность особенно велики, – у него не только более производительный, гибкий и тренированный гиппокамп, но его организм всегда готов запустить нейрогенез взрослых, поскольку по опыту знает, что следующая когнитивная задача может возникнуть в любой момент. Активная, богатая стимулами среда поддерживает большой потенциал нейрогенеза взрослых, так что в старости, когда с началом упадка новая когнитивная гибкость становится нужна также в качестве механизма компенсации, в вашем распоряжении оказывается больший запас пластичности{59}. В результате гиппокамп может дольше продержаться в трудные времена, когда растут потери. Это также позволяет ему дольше успешно справляться с дилеммой стабильности-пластичности.

Депрессия

Нужно отметить, что изложенные выше рассуждения имеют отношение не только к деменции и другим нейродегенеративным заболеваниям. Отчасти они применимы и к депрессии.

Депрессия – одно из самых распространенных и скверных психиатрических заболеваний. Многие об этом не знают, но у нее часто бывает смертельный исход. Суицид входит в ее клиническую картину. Однако это не тот случай хорошо обдуманного самоубийства, которое можно представить себе, например, при прогрессирующем онкологическом заболевании и вокруг которого чаще всего строятся дискуссии об эвтаназии. Это скорее симптом болезни, требующий лечения. Когда усталые от жизни пациенты приходят в себя от депрессии, к ним также возвращаются воля и желание жить, и, оглядываясь назад, они смотрят на свои былые суицидальные намерения с ужасом. Депрессия – это, можно сказать, старшая сестра состояния, которое в быту называют «подавленностью», иногда именуют «выгоранием» и которое в форме «меланхолии» может даже высвобождать творческий потенциал, но не следует делать отсюда ложный вывод, что речь в целом идет о чем-то безвредном, что можно побороть с помощью силы воли и, возможно, пары разговоров.

Между депрессией и деменцией есть странное родство. В определенных условиях они могут выглядеть совершенно одинаково. Поскольку сегодня в большой доле случаев депрессия поддается успешному лечению, имеет смысл выискивать людей, страдающих этим заболеванием, среди тех, кто демонстрирует симптомы деменции. Возможно, им удастся помочь; тем, у кого настоящая деменция, помочь удается гораздо, гораздо реже.

Состояние депрессии крайне мучительно, и с ней по-прежнему связано множество вопросов. Нам до сих пор неизвестно, что лежит в ее основе. Точно можно сказать только, что ее причины не чисто функциональные, а значит, не только, как их называют, церебрально-органические. Долгое время предполагали именно это. Но депрессия, невзирая на то что подразумевает устаревший термин «душевная болезнь», – это заболевание мозга, которое распространяется на всего человека во всей его сложности и которое именно в силу особенной симптоматики можно назвать органическим, хотя и в другом смысле, чем аппендицит. Однако что конкретно происходит (или произошло) в мозге больного депрессией, остается покрыто мраком.

В 2000 году психиатр из Принстона Барри Джейкобс опубликовал сенсационную гипотезу, из которой можно было сделать множество выводов. Джейкобс размышлял о том, может ли депрессия быть нарушением нейрогенеза{60}.

К характерным симптомам депрессии относятся неспособность радоваться, потеря мотивации, страх, печаль и часто даже признаки деменции. Поскольку симптомы слабоумия в этом случае, в отличие, например, от болезни Альцгеймера, обратимы, это называют псевдодеменцией, но проблемы здесь возникают одни и те же. Признаки депрессии включают в себя не только знаменитые неизмеримую печаль и фатальное бездействие, нечто связанное с радостью и самомотивацией, но и когнитивные симптомы, такие как нарушение способности запоминать и расстройства памяти, дефицит внимания и проблемы, возникающие при столкновении со сложным, новым, а также с изменениями.

Это сильное клиническое свидетельство того, что здесь задействован гиппокамп, в котором, как мы видели, действительно связаны между собой эмоциональный и когнитивный аппараты мозга. Удивительно, что в исследованиях и в клинической диагностике депрессии гиппокамп никогда не выходил на передний план. Это понятно постольку, поскольку когнитивные проблемы при депрессии смотрятся лишь как побочные симптомы на фоне доминирующих аффективных нарушений. Но в исследованиях с использованием методов визуализации сразу бросалось в глаза, что у пациентов с хронической депрессией гиппокамп меньше, чем у здоровых людей.

Сегодня с депрессией в большом количестве случаев удается справиться с помощью психотерапии в сочетании с медикаментозным лечением. Лечение непростое, очень многие пациенты переживают рецидив, и все же результат бывает успешным. Важную роль здесь играют медикаментозные средства. Самый распространенный класс антидепрессантов – это те, что повышают доступность нейромедиатора серотонина. Серотонин в популярной прессе часто именуют «гормоном счастья», что отражает ситуацию, когда при его дефиците наступают симптомы депрессии. Но это обозначение совершенно неверно. Серотонин – нейромедиатор, который устанавливает своеобразный порог холостого хода. Он модулирует деятельность на уровне базовой линии, в меньшей степени – на пиках. Если говорить очень упрощенно, мы ощущаем это как эмоциональное состояние или настроение. Если серотонина слишком мало, его можно замещать, иногда добиваясь удивительных эффектов. Но если серотонин на самом деле присутствует в достаточном количестве, повышение его уровня ничего не даст. На здоровых людей антидепрессанты такого рода не действуют. Те, кто их все же пьет, только рискуют получить побочные эффекты.

Нервные пути, использующие серотонин, в том числе достигают гиппокампа. Очень быстро было установлено, что серотонин в гиппокампе положительно коррелирует с нейрогенезом взрослых. Когда входящие волокна отсоединяли, уровень нейрогенеза снижался; при повышении уровня серотонина – рос.

В первую очередь эти две закономерности – то, что при хронической депрессии гиппокамп часто имеет меньшие размеры и что нейромедиатор, действующий как антидепрессант, способствует нейрогенезу, – и привели Джейкобса к идее о том, что в основе депрессии могут лежать отклонения в нейрогенезе взрослых.

Это было смелое утверждение, но главное, что это, по крайней мере, была конкретная гипотеза о происходящем при депрессии на уровне клеток. Ведь раньше представления об этом оставались весьма туманными. Было известно, что депрессия порою очень хорошо поддается лечению фармакологическими средствами, но, во-первых, во многих случаях в равной степени помогала поведенческая терапия, а во-вторых, оставалось неясным, почему именно действуют лекарства. То, что многим пациентам становится лучше от медикаментозного лечения в сочетании с психотерапией, позволяет определить депрессию как болезнь, находящуюся на границе между функциональными расстройствами и расстройствами, имеющими нейробиологические проявления. В конечном итоге ее рассматривали как классическое душевное расстройство, а не как заболевание головного мозга.

В этом было что-то странное: болезнь, у которой нет явной биологической основы, во многих случаях прекрасно лечится биологическими средствами. Предположение Джейкобса о том, что недостающим звеном в цепочке могут быть новые клетки или их отсутствие, было блестящим и, честно говоря, несколько наивным. Эта замечательная идея послужила полезным стимулом, но она с самого начала была слишком хороша, чтобы такое могло быть правдой.

Вначале гипотеза получила большую поддержку, поскольку оказалось, что все известные средства от депрессии, начиная с увеличения физической активности и вплоть до электрошоковой терапии (а это, невзирая на плохую репутацию у неспециалистов, хорошо устоявшийся и успешный метод лечения депрессий, резистентных к другим средствам), усиливают нейрогенез в гиппокампе.

Кроме того, имеются чрезвычайно убедительные и отлично задокументированные данные о том, что у пациентов с хронической депрессией гиппокамп уменьшен в размерах. Это можно установить с помощью МРТ, и это, можно сказать, дополняет результаты исследования, проведенного Элеанор Магуайр на таксистах, а также наблюдение Кирка Эриксона и его коллег, согласно которому гиппокамп увеличивается благодаря бегу.

Казалось бы, все сходится. Обучение и спорт усиливают нейрогенез, депрессия его ослабляет. Спорт и обилие стимулов также клинически влияют на депрессию – что же, они делают это с помощью новых нейронов? Это действительно правдоподобно, но что творится в растущем или сокращающемся гиппокампе, остается совершенно неясным. Как бы то ни было, объем, который мог бы появиться за счет вновь образованных нервных клеток, слишком мал, чтобы его можно было показать даже с помощью лучших магнитно-резонансных томографов. Конечно, эти данные говорят о пластичности гиппокампа, настолько большой, что ее можно даже установить макроскопически с помощью МРТ. Это чрезвычайно любопытно, но может быть никак не связано с формированием новых нервных клеток. Можно размышлять лишь о том, что нейрогенез взрослых протекает в исключительно пластичной среде.

Но свойственны ли пациентам с депрессией также когнитивные симптомы, которых следовало бы ожидать при расстройстве нейрогенеза взрослых? Когда гипотеза о связи нейрогенеза с депрессией достигла пика своей популярности, об этом вообще ничего еще не было известно. Вопрос и сегодня исследован не полностью, выводы пока что делать нельзя. Как ни удивительно, данных о гиппокампальных симптомах у пациентов с депрессией довольно мало. Это объясняется тем, что для клиницистов когнитивные симптомы депрессии остаются на втором плане. Наибольшую опасность представляют аффективные расстройства. При этом границы размыты: как мы уже говорили, депрессия может выглядеть как деменция и наоборот.

Барри Джейкобс и другие сторонники теории о связи нейрогенеза с депрессией тоже говорили вовсе не о когнитивных проявлениях. Их гипотеза касалась непосредственно аффективных симптомов. Если хорошо подумать, это был странный шаг. Впрочем, возможно, такой переход можно было позволить себе просто потому, что так мало существовало данных о когнитивных функциях нейрогенеза взрослых и о роли гиппокампа при депрессии. С тех пор в науке появилось направление, которое занимается значением нейрогенеза взрослых для аффективных состояний и эмоций и, как следствие, для их нарушений тоже.

Вначале эти исследования были не слишком успешны. Различные опыты с животными моделями депрессии показали, что нейрогенез взрослых здесь не нарушен, а если и нарушен, то каким-то таким образом, который не вполне согласуется с гипотезой, например, по временны`м характеристикам.

Конечно, некоторая проблема состоит в том, что хороших животных моделей депрессии вообще не существует. Это одна из самых больших сложностей в данной области. Пусть даже у животных может развиться нечто похожее на депрессию – многие хозяева собак и кошек это подтвердят, – но на такие важные вопросы, как «Часто ли вы чувствуете себя подавленным?», они могут дать лишь очень косвенный ответ. Кроме того, депрессия затрагивает те стороны духа и жизни, которых у них, в отличие от людей, просто нет. Как же тогда использовать подопытных животных для изучения болезни, которая не поддается исследованию подобными экспериментальными методами? Ученые надеялись, что, если гипотеза о нейрогенезе окажется верной, в их распоряжении в результате также появится достоверная модель, пригодная для дальнейших исследований.

При этом исследователи серьезно рисковали попасть в порочный круг. Разгорелся напряженный спор. Самая резкая критика тезиса исходила от работавшего тогда в Маннгейме психиатра по имени Фриц Хенн, что было забавным совпадением, потому что главным защитником идеи впоследствии выступил Рене Хен из Нью-Йорка. Но сначала оппонентом Хенна в этом споре был Рональд Дьюмэн из Йельского университета. Его рабочей группе принадлежало первое сообщение о том, что антидепрессанты, повышающие уровень серотонина, способствуют нейрогенезу взрослых. Выглядело, как будто определенная задержка, с которой это происходит, хорошо согласуется с клиническими данными, показывающими, что антидепрессантам нужно много времени, чтобы начать действовать. Возможно, столько, сколько нужно, чтобы созрел новый нейрон? Позже мы и другие ученые установили, что все намного, намного сложнее. Серотонин действует без какой-либо подобной задержки, но это происходит в условиях сложного переплетения всех возможных одновременных процессов, которые при этом взаимно подавляют друг друга, и картина проясняется лишь через несколько недель.

Со своей стороны, Хенн целыми десятилетиями искал пригодную животную модель депрессии и может считаться одним из главных экспертов по генетическим причинам этого заболевания. Словом, если кто-то и знает эту сторону вопроса, то это он. Какими бы неравноценными ни были аргументы и каким бы расплывчатым ни представлялось все положение дела, спор очень стимулировал науку. Произошел настоящий бум публикаций, среди которых, впрочем, комментарии и обзоры подозрительно сильно перевешивали по количеству оригинальные сообщения. Но, во всяком случае, дискуссия была весьма оживленной.

Исследования, которые, конечно, тоже проводились наряду с теоретическими размышлениями, довольно быстро показали, что тезис Джейкобса в строгой формулировке несостоятелен, как бы он ни возбуждал ученых. Но одновременно стало ясно, что доля истины в нем есть.

Настоящей сенсацией в этот момент стало утверждение Рене Хена из Нью-Йорка, который обоснованно показал, что, хотя и неясно, отвечает ли за депрессию нарушение в нейрогенезе взрослых, но, чтобы антидепрессанты действовали, все же требуются новые нейроны{61}. Мыши, получающие антидепрессант, менее боязливы. Хен и его коллеги угнетали нейрогенез взрослых, и этот положительный эффект не наступал. Конечно, боязливость и депрессия – это не совсем одно и то же, а исследование на другой линии мышей дало другие результаты (что говорит о генетической изменчивости). Но при всех спорных вопросах, которые оставались открытыми, эта работа послужила весомым аргументом в пользу того, что здесь есть любопытнейшая взаимосвязь.

В целом гипотеза о связи нейрогенеза с депрессией в последние годы утратила часть своей притягательности, но остается одной из немногих хороших гипотез, объясняющих депрессию с позиций биологии (частично), притом что данное заболевание в остальном пугающе плохо поддается попыткам дать ему биологически-механистическое толкование. Что-то в этой идее есть. Ведь в гиппокампе с использованием нейрогенеза взрослых происходит контекстуализация выученной информации. Она также регулируется эмоциями и аффектом. Делая что-то с большим вдохновением или страхом, мы лучше запоминаем. Эта эмоциональная контекстуализация при депрессии серьезно нарушена. Несложно предположить, что нарушения в нейрогенезе взрослых лишают весь процесс необходимой гибкости.

Похожая проблема, кстати, встречается и при других психических заболеваниях, прежде всего, при шизофрении, но также, например, и при многих формах аутизма. Соответственно, можно также обсуждать роль нейрогенеза взрослых или его отсутствия в этих заболеваниях. Итак, нарушение в образовании новых нервных клеток могло бы быть общим фактором различных заболеваний, поражающих гиппокамп. Но вопрос об их причинах и действии все еще во многом неясен.

Спасите гиппокамп!

Когда упоминают «верхушку айсберга», отсюда вытекает более-менее очевидный вывод. Пусть исключение остается исключением, но, если правило настолько скрыто, исключение может быть осмысленной и многообещающей целью для медицинских вмешательств.

Деменция – не заболевание гиппокампа, во всяком случае, не в том смысле, что она ограничивается им или что ее внешние проявления напрямую несут на себе его отпечаток. Но, будучи вратами памяти, гиппокамп отвечает за обучение, а деменция часто, особенно вначале, в большой степени проявляется в виде сложностей с обучением и запоминанием.

Обучение не заканчивается в школе, это ежедневный процесс. Любой опыт – это обучение. Пациенты, страдающие деменцией, сначала теряют способность запоминать вещи. Благодаря этому они замечают, что что-то не так. При этом нарушения способности запоминать ни в коем случае не означают деменцию. Нередко бывает, что они усиливаются при «нормальном когнитивном старении», а деменция не развивается. Но граница расплывчата. Профессионалы часто могут определить на ранних этапах, приведет ли проблема с памятью к деменции или нет. Они также получают надежные сведения об этом в динамике. Но в процессе диагностики они могут направить все свое внимание на гиппокамп, поскольку многие формы деменции поражают его на ранних этапах и он демонстрирует симптомы, так четко поддающиеся определению. Пока что в клинической практике это используется не вполне систематически и не повсеместно, что на самом деле странно. Ведь гиппокамп может быть не только отправной точкой диагностики, но и дверкой к профилактике и терапии.

Открытие нейрогенеза взрослых делает этот момент абсолютно конкретным. Ведь устойчивость к болезням – это совершенно особая форма пластичности, а гиппокамп – мастер в этих делах. Он доходит до того, чтобы даже формировать новые нервные клетки.

Отсюда призыв: «Спасите гиппокамп!» Обращая внимание на ранних стадиях на гиппокампальные симптомы, включая те, что могут быть вызваны ослабленным нейрогенезом взрослых, можно было бы не только усовершенствовать диагностику, но и при соответствующем вмешательстве в какой-то мере противостоять болезни. У тренированного гиппокампа есть резерв нейрогенеза, он остается гибким, даже если его функция по каким-либо причинам ослабевает.

Конечно, также возможно, что болезнь вызывает нарушение самого нейрогенеза, а гибкость, как следствие, преждевременно теряется в связи с болезнью – и это предмет интенсивных исследований. Это тоже было бы важно знать, и на это стоило бы обращать внимание при диагностике. Тогда деменция означала бы не только что гиппокамп теряет то, что в нем есть, но и недостаток пластичности. Оба явления были бы аспектами заболевания. Но, в свою очередь, тем важнее были бы резервы нейрогенеза. То, что они тоже под угрозой, – это не повод их не накапливать.

Однако данные о воздействии нейродегенерации на нейрогенез взрослых совершенно неоднозначны. Проще всего их было бы описать фразой «да, но». С одной стороны, это связано с тем, что животные модели нейродегенеративных заболеваний неполноценны, но с другой, конечно, со сложностью и многообразием нейродегенеративных заболеваний в целом. И все же есть очень обнадеживающие данные, хотя интерпретировать их нужно по-прежнему осторожно. Активность помогает от деменции, в первую очередь профилактически, и очень вероятно, что один из механизмов ее действия состоит в регуляции нейрогенеза взрослых.

Успешное старение

Деменция и депрессия чаще возникают в старости, но, конечно, нельзя сказать, что в пожилом возрасте они поражают всех. И все же абсолютно каждый сталкивается с проблемами, которые вызывает старение. Эти проблемы затрагивают тело и дух. Где-то после сорока почти всем нужны очки для чтения, с возрастом хуже воспринимаются высокие ноты, и очень многие замечают, например, что в какой-то момент память начинает работать как минимум хуже, чем в двадцать лет.

Переход от того, что обычно называют «нормальным» когнитивным старением, к таким заболеваниям, как деменция и депрессия, довольно плавный. Но и проявления этих проблем очень разнообразны. Готовность к старению мозга зависит от множества факторов, и не в последнюю очередь от его пластичности. Нейральные резервы определяют, насколько он способен смягчить эти трудности. «Резервы нейрогенеза» – это не просто избыток доступных новых нейронов, но и качественное преимущество. Дело не в том, чтобы бездумно тренироваться и абстрактно наполнить мозг дополнительными клетками, – гибкость мозга повышается и сохраняется на высоком уровне в результате осмысленной деятельности.

Нейрогенез взрослых, конечно, может объяснить успешное когнитивное старение лишь отчасти – в той степени, в которой оно связано с гибкостью гиппокампа. Насколько хорошо мы справляемся с новизной, в первую очередь с новой информацией в знакомом контексте, и с множеством нюансов и изощренных деталей, от которых в жизни часто что-то зависит и упуская которые мы буквально «зависаем»? Если нарушены эти функции, в подавляющем большинстве, по моему мнению и мнению моих коллег, обусловленные новыми нейронами, это не значит, что сразу настанет слабоумие или депрессия; но старение будет менее успешным.

Индивидуальность

Но если все это так, отсюда вытекает поразительное следствие. Ведь в известной степени, для каждого разной, в зависимости от наших генетических склонностей, рода и количества задач, которые мы решаем в жизни, наше поведение тоже определяет, как мы и наш мозг справляемся с периодами затишья и ненастья. Действия имеют значение. Какое – можно оценить не всегда, иногда любые действия тщетны, но, и это уже почти тавтология, действовать – это все, что мы можем делать. Тот, кто по-настоящему проживает свою жизнь, получает от нее больше не только прямо сейчас, но и в перспективе. Это не ново; ново здесь, пожалуй, только нейробиологическое обоснование. Нужно ли оно, чтобы отдельный человек мог вести хорошую жизнь, еще не доказано, но оно не повредит, а истинное значение подобной информации, пожалуй, можно увидеть лишь в более широкой картине.

Нейрогенез взрослых, как и любая форма пластичности, – это связующее звено между нашей деятельностью и структурой мозга. А поскольку опыт, как и деятельность, сугубо индивидуален, какими бы большими группами мы ни занимались спортом, ни играли музыку и ни сидели в аудиториях, нейрогенез взрослых – это механизм, который делает наш мозг более индивидуальным.

Нам даже удалось показать это в эксперименте. Однояйцевые близнецы генетически идентичны и часто чрезвычайно похожи. Их сходство порою ошеломляет нас, потому что говорит о превосходящей все ожидания великой силе генов. Но даже однояйцевые близнецы не абсолютно одинаковы, в первую очередь различия между ними растут с возрастом. Разница может быть едва уловимой, но она увеличивается. Если близнецы живут в одной и той же среде, что определенно так в утробе матери и как правило хотя бы в первые годы жизни, эту разницу должен вызывать различный опыт, полученный в одних и тех же условиях, различное переживание одного и того же. Таким образом, есть часть этой общей среды, которую они не разделяют (non-shared environment)[39].

Тогда с помощью обогащенной среды можно поставить любопытный эксперимент на генетически идентичных мышах и спросить, возникает ли при одинаковых генах и среде индивидуальность и в какой степени. Будут ли в такой ситуации различия между мышами тоже постоянно расти? И – мы задавали именно этот вопрос – будет ли это также отражаться в нейрогенезе взрослых?

Для этого мы снабдили животных крохотным чипом, который действует аналогично защитной этикетке в дверях супермаркета. Антенна излучает сигнал, чип возвращает его и таким образом сообщает о своем положении. Наши коллеги Ларс Левейохан и Норберт Заксер из Университета Мюнстера придумали обогащенную среду с двадцатью антеннами, где таким образом можно было круглосуточно следить за поведением сорока мышей и фиксировать его. Антонио Крюгер из Немецкого исследовательского центра искусственного интеллекта в Саарбрюккене – обычно он занимается вопросом, как с помощью подобной технологии на чипах отслеживать товаропоток в супермаркетах, – вместе со своими коллегами написал алгоритм, который позволяет нам отфильтровать возникающий при этом гигантский массив данных, чтобы получить что-то осмысленное. А Ульман Линденбергер и Андреас Брандмайер из Института развития человека Общества Макса Планка в Берлине наконец разработали модель, чтобы еще и интерпретировать эти данные.

О чем говорит вся та пространственно-временная информация, которую мы три месяца собирали с каждой отдельной мыши в клетке? Через три месяца моя коллега Юлия Фройнд зафиксировала в гиппокампе нейрогенез взрослых, и мы спросили себя, есть ли связь между поведением отдельных животных в течение трех месяцев и масштабами этого явления у них. Как и ожидалось, у мышей в обогащенной среде было больше новых нервных клеток. Но это еще не все: разброс значений также оказался значительно шире. Были мыши, которые почти не отличались от тех, что одновременно жили в скучной, менее стимулирующей среде. У других новых нервных клеток образовалось в пять раз больше. Иными словами, у генетически идентичных мышей, одновременно пребывавших в одинаковой среде, появились структурные различия в гиппокампе, в его области, имеющей функциональное значение.

Однако оказалось, что само по себе количество контактов с антеннами никак не коррелировало с нейрогенезом взрослых. Если подумать, это понятно. Представьте, что такой антенной были бы кнопки пульта дистанционного управления. Тогда, если сидеть перед телевизором и переключать каналы, контактов с антенной получится очень много, но активность будет минимальной. Так что нужно ввести хотя бы еще одну антенну (скажем, дверцу холодильника) и посмотреть, как часто антенны меняются. Повторяющиеся контакты с одной и той же антенной можно просто проигнорировать. Это уже гораздо лучше. Такой все еще очень грубый показатель активности объяснял в математической модели около десятой части различий.

По-настоящему интересно становится, если включить в расчет еще и расположение отдельных антенн. Тогда из массива данных, который мыши формировали в течение трех месяцев, можно для каждого отдельного животного вычислить коэффициент того, с какой вероятностью его можно в случайный момент времени найти в столь же случайном месте на большой огороженной площади. Чем больше этот коэффициент (так называемая энтропия рыскания – Roaming Entropy), тем вероятнее, что мышь встретится вам во многих различных точках; чем он ниже, тем вероятнее, что она окажется лишь в нескольких местах (например, в своем гнезде или у поилки).

Андреас Брандмайер создал интерактивную визуализацию энтропии рыскания, которую можно испробовать на странице www.brandmaier.de/roamingentropy/. Энтропия рыскания – это коэффициент пространственной активности, который не ограничивается самим движением, а учитывает качественный компонент, а именно какое пространство это движение охватывает. Если перенести это на человека, при примерно одинаковой физической активности этот показатель у бегуна на дорожке в фитнес-центре будет ниже, чем у того, кто бегает в лесу и по полю. Таким образом, энтропия рыскания еще и косвенно говорит о том, насколько исследована и познана среда.

Если суммировать для каждой мыши значения энтропии рыскания в течение некоторого времени, можно увидеть прирост ее активности. Чем резче кривая направлена вверх, тем активнее особь, чем кривая более пологая, тем меньшее пространство было охвачено деятельностью.

На животных в обогащенной среде мы увидели, что их кривые веерообразно расходились все дальше. Эти диаграммы показали, что мыши по своей активности все сильнее отличались друг от друга{62}, {63}, (см. рис. 24 на вклейке).

Когда мы сопоставили энтропию рыскания каждой мыши с уровнем нейрогенеза, мы обнаружили, что она объясняет уже не 10, а более 20 % различий в количестве новых нервных клеток у разных особей. Это поразительное, но не запредельное значение. Было бы не слишком правдоподобно, если бы данные показали, что нейрогенез взрослых у каждой мыши зависит только от ее энтропии рыскания. Разумеется, здесь может играть роль множество других потенциальных факторов. В первую очередь, конечно, это социальные контакты. В другом независимом исследовании мы также выяснили, что мыши с более высокой энтропией рыскания – большие индивидуалисты, но при этом они не антисоциальны. Это тоже интуитивно понятно: широкие знакомства – еще один признак активной жизни.

Конечно, остается масса вопросов. Прежде всего, опять же, причинная связь. Зависит ли дальнейший рост кривой поведения от нейрогенеза взрослых? Активность стимулирует нейрогенез взрослых, но верно ли обратное, что нейрогенез взрослых способствует активности, как предполагает гипотеза о том, что перед нами по-настоящему пластичный процесс?

В любом случае наши эксперименты с мышами показали, что нейрогенез взрослых в зависимости от индивидуальной активности ведет к тому, что у каждой особи развивается свой уникальный гиппокамп. В результате индивидуальной активности гиппокамп приспосабливается к собственному ее уровню – или, как можно было бы сказать, к собственному горизонту опыта.

Но как это может работать? Откуда стволовые клетки и полость, где они содержатся, узнают, что в активном животном им нужно будет выполнять повышенные запросы? Есть ли у стволовых клеток воспоминание о прошлом опыте?

На самом деле похоже, что это так. Основная память каждой клетки – это ее геном. Это неизменная база. Но есть также то, что называют эпигенетикой, или, популярно, «второй код». Это изменяемые модификации генома, которые определяют, как будет считываться и использоваться первый код. Эти изменения зависят от среды, опыта и активности. Эпигенетика – связующее звено между генотипом и окружающей средой.

Следующий большой шаг – выяснить, действительно ли индивидуальное поведение ведет к индивидуальным эпигенетическим изменениям – в стволовых клетках, их полости или еще где-то, – которые могли бы объяснить, почему нейрогенез взрослых при одинаковых исходных условиях со временем стабилизируется на разном индивидуальном уровне, в результате чего каждый может получить тот мозг, которого заслуживает.

Новые нервные клетки в борьбе за выживание

Можно также развивать эти размышления в свете приспособления особей на уровне видов. Ведь то, что верно для отдельного животного, вероятно, верно и для всего вида. Соответственно этому ваша собственная приспособляемость к задачам, которые ставит мир, могла бы также способствовать тому, чтобы стал лучше приспосабливаться весь вид в целом. Тот, кто хорошо живет в своей нише, скорее сможет принести потомство в мирной обстановке, чем во враждебных условиях, всегда в бегах.

Пластичные виды должны быть успешнее в завоевании мира. Так оно и есть: грызуны и люди встречаются практически на всей Земле. Они – чемпионы мира по гибкому приспособлению к изменениям в среде обитания. Для этого нужна максимальная пластичность. Гипотеза состоит в том, что нейрогенез взрослых играет в этом важную роль. Возможно, млекопитающие настолько успешно заселили Землю не в последнюю очередь благодаря своей зубчатой извилине.

Наконец, можно рассматривать и саму эволюцию как своего рода пластичность на уровне целого биологического вида. Существует обратная связь между особями в популяции и их средой. Если смотреть со строго дарвинистской позиции, все, что есть – это генетическая детерминация и ее случайная изменчивость, с одной стороны, и среда с ее изменениями – с другой. Когда одно хорошо сочетается с другим, это идет виду на пользу: он активнее размножается и вытесняет собой другие, хуже приспособленные виды. Но каждый из них, естественно, составляет множество особей. В отличие от пластичности, о которой мы до сих пор говорили в этой книге, эволюция видов, по крайней мере в классической интерпретации, – процесс скорее пассивный. У коллеги Дарвина Жана Батиста Ламарка была другая идея, известная символическая иллюстрация которой состоит в том, что шеи жирафов стали такими длинными, потому что их предки все успешнее тянулись к наиболее высоко расположенным листьям.

Эпигенетика открывает в генетических процессах новое измерение, менее детерминистское по сравнению с классической генетикой. Согласно этой модели, имеет место очень существенное взаимодействие между генотипом и средой, в результате чего в определенных случаях опыт, по крайней мере частично, может быть передан следующему поколению. На этом уровне чистый дарвинизм в своем популярном варианте уже не действует. При этом эволюционное учение в науке становилось все сложнее и многограннее по сравнению с его распространенными популярными изложениями. Иными словами, то, что так упрощенно называют «случайностью и отбором», вызывает у ученых множество вопросов, благодаря чему со времен Дарвина разворачиваются дискуссии и плодотворные исследования. Теория эволюции была и остается в науке территорией большой стройки.

Так, естественный отбор действует не в одиночку. Многие свойства совершенствуются в соответствии с физическими законами таким образом, что это невозможно объяснить одной лишь селекцией по принципу выгоды в борьбе за выживание. Эволюция не оптимизирует, она только отдает преимущество лучшему по сравнению с менее выгодным. Откуда тогда берутся оптимизированные решения? Могут ли они быть простым совпадением?

Илл. 27. Символическая иллюстрация ламаркизма, которую часто высмеивают и согласно которой шеи жирафов стали такими длинными, потому что им приходилось тянуться к высоко расположенным листьям. Ирония в том, что данные эпигенетики сформировали некий мягкий вариант ламаркизма. Он показывает, что существуют ситуации, когда благоприобретенные свойства могут наследоваться

Но, конечно, в первую очередь эволюция не знает, зачем ей оптимизировать. Эта фундаментальная проблема всегда присутствовала в обсуждениях эволюционной теории. Происхождение видов работает «умно», и оно должно быть в некотором роде умным, если отбор «должен» быть по-настоящему осмысленным, то есть эффективным для адаптации. То, что сейчас создает преимущество, в следующий момент может оказаться вредным. Мы не можем не говорить так, будто есть кто-то, кто совершает определенные действия. Эволюционная теория вопиюще контринтуитивна уже потому, что на стратегическом уровне она отрицает наличие деятелей, но при этом постоянно подразумевает, что они присутствуют.

С другой стороны, в свою очередь, отбор не может быть случайным. Он кажется целенаправленным, но это не так, потому что эволюция, опять же, не может знать, с какой целью она проводит отбор. «Цель» – неправильное слово, потому что оно предполагает намерение. Но другого, по-настоящему удачного термина, чтобы обозначить эту направленность, у нас нет.

Эти сложности в теории эволюции не означают, что нужно немедленно сдаться креационистам и приверженцам гипотезы разумного замысла, которые утверждают, что происхождение видов протекает под целенаправленным управлением извне. Для большинства приверженцев таких теорий это означает – под управлением Бога. Не стоит прибегать к помощи высших сил, чтобы разобраться в эволюции, только потому, что она сложна для понимания.

Впрочем, это не наша тема. Я веду к другому: пластичность в сочетании с эпигенетикой – это адаптивный механизм, выгодный для особей и видов. Однако в связи с нейрогенезом взрослых как с крайне сложным свойством встает вопрос о том, как и зачем он мог пройти отбор.

Нейрогенез взрослых – это механизм, позволяющий особям, а значит, в конечном итоге их виду гибко приспосабливаться к новым обстоятельствам. Это выгодно, но для чего? И если успешные особи передают своим потомкам эту особую гибкость по эпигенетическому механизму, то, чтобы получить преимущество в следующем поколении, не требуется изменений в последовательности генетической информации, нужно лишь передать информацию о том, как считывать и использовать ту же последовательность. Эпигенетическое наследование – это не то же, что наследование генетической последовательности оснований, но оно влияет на успех выживания и, если угодно, искажает классическую дарвинистскую картину.

Пластичность, а тем более в форме нейрогенеза взрослых, не вошла в концепцию эволюционной теории. Это большое мысленное испытание для ее классического варианта – что опыт может передаваться из поколения в поколение не только когда родители, основываясь на собственном опыте, регулируют поведение детей. Даже эту идею интегрировать уже достаточно сложно. Нет, опыт также передается из поколения в поколение совершенно непосредственно, когда передаются эпигенетические предпосылки.

Прошу заметить, что это еще не продемонстрировано и не доказано. Роль эпигенетики в регуляции нейрогенеза взрослых посредством активности точно нам пока что неизвестна. Но гипотеза напрашивается.

Конечно, эпигенетические изменения, накопленные в нейронах в зависимости от опыта, никоим образом не передаются напрямую. Два поколения связывает между собой только одна клетка, и это оплодотворенная яйцеклетка. Как же эпигенетическое изменение, связанное с опытом, попадает в половую клетку? Мы не знаем, поэтому еще рано хоронить по частям теорию эволюции или возводить на пьедестал Ламарка в качестве нового старого героя. Скорее здесь просто опять открывается новый аспект, который обогатит дискуссию. В разговорах об эволюции всегда быстро накаляются эмоции, хотя лучше было бы трезво и с некоторым смирением рассмотреть этот вопрос как задачу. В абсолютном значении мы знаем немного. Больше, чем раньше, но все еще мало. Новые отдельные факты часто только усложняют картину.

Как бы то ни было, нейрогенез взрослых сделал гиппокамп млекопитающих гораздо более гибким, чем у других животных. Вопреки представлениям критиков прошлого, наша зубчатая извилина так эффективно функционирует не несмотря на это явление, а благодаря ему. Поскольку гиппокамп имеет столь существенное значение для многих сугубо человеческих способностей, это лишь маленький шаг к утверждению о том, что нейрогенез взрослых был решающим элементом в эволюции нашего мозга и помогает объяснить наш «успех»{64}.

Послесловие

На данный момент вышло около 10 000 научных публикаций о нейрогенезе взрослых. В этой книге мы рассмотрели лишь немногие из них. О чем говорится в остальных?

Есть несколько областей, которые мы здесь вообще не обсуждали. Например, сейчас уже очень много известно о том, как именно протекает развитие нейрона в мозге взрослого организма. Существенная часть лично моей работы связана с деталями этого процесса и с генетически обусловленными различиями в нейрогенезе взрослых. Появилась возможность соотнести отдельные этапы развития нейрона с молекулярными механизмами, где наблюдается сложнейшее взаимодействие. Проведен подробный анализ того, на каких этапах в процесс этого развития вступают механизмы регуляции, а также что именно, собственно, здесь означает регуляция. Таким образом, сегодня можно установить связи с биологией развития и молекулярной биологией. И сделать предстоит еще очень много.

Кроме того, подробно описаны и измерены связи, в которых задействованы новые клетки, стало известно, как новые нейроны интегрируются в сеть и каков их функциональный вклад на этом уровне.

На сегодня самая горячая тема – наблюдение за работой клеток прямо в мозге с помощью крошечных микроскопов. Это не только чудо миниатюризации, микроскопной техники и анализа данных; нужно учитывать, что, чтобы такие данные имели осмысленное применение, подопытное животное практически не должно пострадать. Нервные клетки очень чувствительны.

А еще есть тысячи исследований, которые заполняют маленькие и большие пробелы и где прежде известные вещи рассматриваются в новых сочетаниях или ставятся под вопрос сделанные ранее предположения. Так из новой и избыточной информации, из больших и малых исследований, из стандартных процедур и нестандартного мышления, сомневаясь и отступая назад, ученые формируют большую картину. И так постоянно возникают новые противоречия и новые вопросы. Но полотно сплетается все плотнее и плотнее. Плоды научной революции стали частью жизни.

Путь от крыс Альтмана и канареек Ноттебома к нашему сегодняшнему знанию о роли новых нейронов в деятельности мозга и успешном старении был длинным, но не слишком долгим – всего 50 лет. Мы даже подозреваем, что эти новые нейроны, возможно, причастны к успеху, какого достигли «мы, млекопитающие», в первую очередь грызуны и люди, решая задачи, которые в самых разных формах на всей Земле ставит перед нами жизнь. Благодаря своей зубчатой извилине мы чрезвычайно гибки и невероятно хорошо приспосабливаемся. Возможно, новые нервные клетки – это и есть ключ к нашей способности, будучи индивидами, ориентироваться в мире с помощью собственного опыта и деятельности, создавать и сохранять свой уникальный мозг и формировать автобиографическую память – основу личности. Этого вполне достаточно, чтобы продолжать заниматься ими. А с чисто практической точки зрения – еще один хороший повод вести активную жизнь.

Оставайтесь в движении!

Благодарности

Возможность заниматься свободными исследованиями – большая привилегия. Как-то раз, когда мы вели одну из наших дискуссий, из которых как будто сами собой рождались замечательные озарения (по крайней мере, такова была наша цель), мой учитель Фред Гейдж в восторге воскликнул: «I cannot believe that we even get paid for this!» («Неужели нам за это еще и платят!»). Большинство «настоящих ученых» к деньгам относится очень прагматично, а работать их побуждают грызуны. Поэтому они редко находят общий язык с экономистами, которые пытаются оценивать исследования совершенно иначе. Ученому глубоко чужд экономический взгляд на познание, что не исключает, что он с радостью примет хорошую зарплату или успешно поучаствует в коммерциализации какого-нибудь открытия. Но главным для него (или для нее) останется глубочайшее удовлетворение и то неповторимое чувство, когда вступаешь на неизведанную землю. Когда понимаешь: до тебя это никому в голову не приходило! Ты здесь первый! Это знаменитое эвристическое переживание, которых даже хорошему исследователю с удачной карьерой выпадает мало. Многие, в том числе прекрасные ученые, уходят на пенсию, довольствуясь лишь скромными озарениями.

Сегодня я работаю в одном из исследовательских центров Объединения имени Гельмгольца (HGF) – Немецком центре нейродегенеративных заболеваний (DZNE). HGF отличается от Общества Макса Планка или Немецкого научно-исследовательского сообщества, в частности, тем, что здесь ведут «программы исследований». В число восемнадцати центров этого объединения входит, например, Германский центр авиации и космонавтики в Кёльне, который отправил Александра Герста[40] на Международную космическую станцию или участвовал в постройке спускаемого аппарата Philae, Институт имени Альфреда Вегенера, управляющий полярной станцией Neumeier и исследовательским судном Polarstern, и Немецкий центр раковых исследований в Гейдельберге – флагман в изучении здоровья. Идею программы исследований часто понимают ошибочно, говоря, что «в Гельмгольце» наука менее свободна, чем, например, в университетах. Но все не так просто. Рамки, которые задает программа, также могут раскрепощать. Бывший президент HGF, Юрген Млинек, сказал по этому поводу, что наука «вдохновляется трансляционными исследованиями»[41]. Мне нравится это высказывание, потому что именно так я вижу свою работу. Я учился медицине и по-прежнему считаю себя врачом, хотя больше не ухаживаю за пациентами. Я знаю, что мои исследования опосредованно имеют для медицины огромное значение. Взаимосвязь между структурой и функцией мозга, пластичность, очень важна для нашего понимания того, как он функционирует и не функционирует в здоровом состоянии и в случае болезни. Как изменяется этот орган в результате использования? Что, собственно, происходит с ним в старости и как он реагирует на болезнь или вообще даже просто на «жизнь»? Как он изменяется в случае прямой травмы или дегенерации? Как и чему его структура «учится» в ситуациях, в которых он оказывается?

С учетом этого совершенно нормально, что ученый, который занимается генезом, работает в центре дегенеративных заболеваний и ведет свободные исследования в этом контексте. Помимо своей деятельности в DZNE, я также числюсь профессором в Центре регенеративной терапии (CRTD) в Дрезденском техническом университете. Регенерация и генерация – это не одно и то же, но направление у них общее: созидание, а не распад. В целом оба института создают отличные условия для изучения нейрогенеза взрослых. Они обеспечивают необходимое пространство для «разведывательных экспедиций» и одновременно задают рамки, в которых наша работа получает «трансляционный источник вдохновения». Я очень благодарен за эти исключительные возможности.

В первую очередь я особо хочу поблагодарить свою жену Уту, без которой не было бы не только этой книги.

Мой агент Астрид Поппенхузен и Юрген Больц из издательской группы Droemer Knaur, к моей искренней радости, очень ратовали за этот проект. Они много сделали для того, чтобы книга могла стать такой, какая она есть. Я благодарю доктора Ульрике Штрерат-Больц за квалифицированную и деликатную редактуру.

Я надеюсь, что мое восхищение собственной профессией и замечательными условиями, в которых мы с коллегами работаем в Дрездене (и вообще в Германии), очевидно. Я благодарю всех немецких налогоплательщиков и избирателей, которые сделали возможной такую эффективную научную систему и поддерживают ее. Оставайтесь с нами!

Среди моих преподавателей и учителей если три человека, которым я особенно обязан: это Бенедикт Фольк, Фред Гейдж и Пауль Балтес. Они сформировали мои научные взгляды, которые, в свою очередь, во многом повлияли на то, как развивалось мое представление о нейрогенезе взрослых, изложенное здесь.

В решающий момент Георг Кройцберг дал мне правильный совет: решиться на независимость в науке. Кроме того, Гельмут Кеттенманн очень сильно поддерживал меня в то время, которое я провел в Берлине, а Юрг Кессельринг оказал большое влияние на мои представления о врачебной профессии и о неврологии.

Дрезден – великолепное место, чтобы заниматься наукой, в том числе благодаря близости к искусству. Это многонациональный город, заметный в научном мире. Я каждый день радуюсь его пестроте и знаю, что это – основа успеха наших исследований. Наши институты не были бы столь хороши без множества ученых со всей земли. Все пронизано интернациональностью. В современной науке в одиночку вы ничто. В первую очередь это касается моей чудесной многонациональной рабочей группы, которая изо дня в день превращает работу в радость. Я благодарю своих сотрудников за их вклад и за прекрасный командный дух.

В этой книге представлено мое личное изложение, но я рассказываю о достижениях многих ученых, которые все вместе, начиная с таких пионеров, как Джозеф Альтман, сформировали наши сегодняшние знания о новых нейронах. По научным меркам, библиографический аппарат, к которому я обращался, зачаточный. Можно было с полным основанием процитировать здесь сотни статей; но это было бы сделано ценой доступности текста для неспециалистов.

При этом похваляться чужими достижениями входило в мои намерения в последнюю очередь. Мне выпало счастье быть непосредственным свидетелем решающей фазы в исследованиях нейрогенеза взрослых, и я очень надеюсь, что мне удалось подобающим образом представить вклад множества моих коллег, которые развивали их. Если я не отдал должное чьей-то работе, то сделал это ненамеренно и признаю свою ошибку. То, что мы знаем сегодня, – заслуга множества людей, и я благодарен и счастлив работать в научной области, которую в целом формирует такое большое сообщество. Для меня важно подчеркнуть эту сплоченность.

Ученым приходится много путешествовать. Это одна из причин, по которым данная профессия столь привлекательна. Наука – международная сфера, и конфликты, из которых состоит большая политика, для ученых ничего не значат. Мы с удовольствием сидим за общим столом и, как правило, мало печемся о национализме. Просто для нас важнее всего дело, и чудесно, когда в разных уголках мира вопреки мнимым культурным различиям завязывается и сохраняется дружба. Во многом наука – это личное общение.

Но за эту радость общения приходится платить временем, и оборотная сторона состоит в том, что ваша семья порой не получает всего, что ей причитается. В знак небольшой компенсации я посвящаю эту книгу своим детям.

Вклейка

Рис. 1. Зоны мозга человека, в которых происходит нейрогенез. У приматов клетки, образующиеся в субвентрикулярной области, мигрируют еще и в полосатое тело, которое представляет собой анатомическую структуру мозга, отвечающую за мышечный тонус, формирование условных рефлексов, а также регулирующую некоторые поведенческие реакции.

Рис. 2. Если посчитать клетки мозга, как это делал датский анатом Марк Вест, можно заметить, что различия между отдельными людьми больше, чем зависимость от возраста. Только при проявленной деменции (черные точки) меньшее количество клеток действительно соответствует нарушению функций. В остальном зависимость слабая (Lancet, 17 September 1994; 344 (8925) P. 769-772)

Рис. 3. Первая нервная клетка, открытая в гиппокампе крысы. Оригинал снимка можно найти в статье Джозефа Альтмана и его коллеги Гопала Даса 1963 года. Однако обычно считается, что начало исследованиям нейрогенеза взрослых положило гораздо более подробное исследование 1965 года

Рис. 4. Чтобы продемонстрировать новую нервную клетку в препарате мозга, нужно показать, что она новая и относится к нейронам. Вновь образованные клетки можно продемонстрировать с помощью маркера клеточного деления бромдезоксиуридина (БДУ) (красный цвет), а нейроны - окрашивая белки, которые встречаются только в нервных клетках (зеленый цвет). Альтман и Ноттебом могли метить новые нейроны только радиоактивными изотопами, им приходилось опираться на менее надежные критерии, чтобы показать принадлежность клеток к нейронам

Рис. 5. В результате наземных испытаний атомной бомбы до 60-х годов в атмосфере выросло содержание изотопа углерода-14. 14C проникает в наши клетки и позволяет, почти как БДУ, выявить новые нервные клетки (Science, 07 June 2013; 340 (6137), pp. 1180-1181. doi: 10.1126/science.1240681)

Рис. 6. Существуют вспомогательные маркеры новых нервных клеток, не настолько убедительные как метод БДУ, но также надежно выделяющие новые нервные клетки в препаратах человеческого мозка. На иллюстрации показаны клетки, содержащие такой маркер - даблкортин (DCO) - в человеческом гиппокампе в возрасте 9 дней, 20, 45 и 65 лет (PLoS One. 2010 Jan 29;5(1):e8809. doi: 10.1371/journal.pone.0008809)

Рис. 7. Чтобы использовать метод с углеродом-14, нужен гигантский, крайне чувствительный масс-спектрометр, способный выловить отдельные атомы 14C миллиардов обычных атомов углерода. Такой прибор установлен в Уппсале. Он занимает не только этот зал!

Фотоматериалы

Иллюстрации по тексту

Все изображения принадлежат автору, за исключением следующих:

Илл. 2, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 17 – общественное достояние, Wikemedia Commons

Илл. 1 – Rockefeller University

Илл. 5 – Yale University

Илл. 6 – Openclipart

Илл. 11 – A. Alvarez-Buylla

Илл. 12 – F. H. Gage

Илл. 18 – C. Swanson / perspicuity.com

Илл. 19, 20 – UC Berkeley

Илл. 23 – J.H. Meijer, Y. Robbers / CC-BY-3.0

Илл. 25 – E. Skillings, J. Morton / University of Cambridge

Вклейка

Все изображения принадлежат автору за исключением следующих:

Рис. 1 – Verlag C.H. Beck

Рис. 3 – J. Altman

Рис. 5 – The American Association for the Advancement of Science (AAAS)

Рис. 7 – M. Salehpour, T. Thörnlund / Div. for Physics and Astronomy, University of Uppsala, Sweden

Рис. 8 – из книги R. Virchow. Die Cellularpathologie in ihrer Begründung auf physiologische und pathologische Gewebelehre. Berlin: Verlag von August Hirschward, 1858

Рис. 12 – общественное достояние, Wikimedia Commons

Рис. 14 – Library of Congress Prints and Photographs Division Washington, D.C. / Reproduction Number: HABS NY,15-BUF,6--1

Рис. 21 – F. Clauß / CRTD

Комментарии

1

Goldman S.A., Nottebohm F. (1983). Neuronal production, migration, and differentiation in a vocal control nucleus of the adult female canary brain // Proceedings of the National Academy of Sciences, 80. P. 2390–2394.

2

Kempermann G. (2012). New neurons for “survival of the fittest” // Nature Reviews Neuroscience, 13. P. 727–736.

3

Treffert D.A., Christensen D. D. (2005). Inside the mind of a savant // Scientific American, 293. P. 108–113.

4

West M.J., Coleman P. D., Flood D. G. and Troncoso J. C. (1994). Differences in the pattern of hippocampal neuronal loss in normal ageing and Alzheimer’s disease // Lancet, 344. P. 769–772.

5

Altman J., Das G.D. (1965). Autoradiographic and histological evidence of postnatal hippocampal neurogenesis in rats // The Journal of Comparative Neurology, 124. P. 319–335.

6

Altman J. (1962). Are new neurons formed in the brains of adult mammals? // Science, 135. P. 1128–1129.

7

Altman J. (1963). Autoradiographic investigation of cell proliferation in the brains of rats and cats // The Anatomical Record, 145. P. 573–591.

8

Hagner M. (2006). Der Geist bei der Arbeit. Göttingen: Wallstein Verlag.

9

Altman J. (1969). Autoradiographic and histological studies of postnatal neurogenesis. IV. Cell proliferation and migration in the anterior forebrain, with special reference to persisting neurogenesis in the olfactory bulb // The Journal of Comparative Neurology, 137. P. 433–457.

10

Reynolds B. A., Weiss S. (1992). Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system // Science, 255. P. 1707–1710.

11

Palmer T. (1995). FGF-2-Responsive neuronal progenitors reside in proliferative and quiescent regions of the adult rodent brain // Molecular and Cellular Neuroscience, 6. P. 474–486.

12

Rakic P. (1985). Limits of neurogenesis in primates // Science, 227. P. 1054–1056. doi: 10.1126/science.3975601

13

Eriksson P.S. et al. (1998). Neurogenesis in the adult human hippocampus // Nature Medicine, 4. P. 1313–1317.

14

Palmer T.D. et al. (2001). Cell culture. Progenitor cells from human brain after death // Nature, 411. P. 42–43.

15

Knoth R. et al. (2010). Murine features of neurogenesis in the human Hippocampus across the lifespan from 0 to 100 years // PLoS ONE, 5. P. e8809.

16

Bhardwaj R.D. et al. (2006). Neocortical neurogenesis in humans is restricted to development // Proceedings of the National Academy of Sciences, 103. P. 12564–12568.

17

Spalding K.L. et al. (2013). Dynamics of hippocampal neurogenesis in adult humans // Cell, 153. P. 1227.

18

Altman J. (2011). The discovery of adult mammalian neurogenesis // Neurogenesis in the adult brain I. Springer Japan. P. 3–46. doi: 10.1007/ 978-4-431- 53933-9_1

19

Somjen G.G. (1988). Nervenkitt: notes on the history of the concept of neuroglia // Glia, 1. P. 2–9.

20

Delbrück M. (1935). Über die Natur der Genmutationen und der Genstruktur. Dritter Teil. Atomphysicalisches Modell der Genmutation // Nachrichten von der Königl. Gesellschaft der Wissenschaften und der Georg-Augusts-Universität zu Göttingen. Math-phys. Klasse. doi: 10.1007/BF00623570.pdf

21

Cajal S.R., May R.M. (1928). Degeneration & regeneration of the nervous system. Vol. 1. London.

22

Cajal S. (1894). The Croonian Lecture: La fine structure des centres nerveux// Proceedings of the Royal Society of London, 55. P. 444–468.

23

Jessberger S. et al. (2009). Dentate gyrus-specific knockdown of adult neurogenesis impairs spatial and object recognition memory in adult rats // Learning and Memory, 16. P. 147–154.

24

Kaplan M.S., Hinds J. W. (1977). Neurogenesis in the adult rat: electron microscopic analysis of light radioautographs // Science, 197. P.1092–1094.

25

Kaplan M.S. (2001). Environment complexity stimulates visual cortex neurogenesis: death of a dogma and a research career // Trends in Neurosciences, 24. P. 617–620.

26

Stanfield B.B., Trice J.E. (1988). Evidence that granule cells generated in the dentate gyrus of adult rats extend axonal projections // Experimental Brain Research, 72. P. 399–406.

27

Работы были выполнены на взрослых мышах. См.: Reynolds B. A., Weiss S. (1992, Marсh 27). Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system // Science, 255 (5052). P. 1707–1710.

28

Cameron H.A., Woolley C.S., McEwen B.S. and Gould E. (1993). Differentiation of newly born neurons and glia in the dentate gyrus of the adult rat // Neuroscience, 56. P. 337–344.

29

Lois C., García-Verdugo J.M. and Alvarez-Buylla A. (1996). Chain migration of neuronal precursors // Science, 271. P. 978–981.

30

Sanai N. et al. (2011). Corridors of migrating neurons in the human brain and their decline during infancy // Nature, 478. P. 382–386.

31

Bergmann O. et al. (2012). The age of olfactory bulb neurons in humans // Neuron, 74. P. 634–639.

32

Gage F.H. (2000). Mammalian neural stem cells // Science, 287. P. 1433–1438.

33

Kempermann G., Kuhn H. G. and Gage F. H. (1997). More hippocampal neurons in adult mice living in an enriched environment // Nature, 386. P. 493–495.

34

Bliss T.V., Lomo T. (1973). Long-lasting potentiation of synaptic transmission in the dentate area of the anaesthetized rabbit following stimulation of the perforant path // The Journal of Physiology, 232. P. 331–356.

35

Schmiedek F., Lövdén M. and Lindenberger U. (2010). Hundred days of cognitive training enhance broad cognitive abilities in adulthood: Findings from the COGITO study // Frontiers in Aging Neuroscience, 2. doi: 10.3389/fnagi.2010.00027

36

Maguire E.A. et al. (2000). Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers // Proceedings of the National Academy of Sciences, 97. P. 4398–4403.

37

Draganski B. et al. (2006). Temporal and spatial dynamics of brain structure changes during extensive learning // Journal of Neuroscience, 26. P. 6314–6317.

38

Arvidsson A., Collin T., Kirik D., Kokaia Z. and Lindvall O. (2002). Neuronal replacement from endogenous precursors in the adult brain after stroke // Nature Medicine, 8. P. 963–970.

39

Ernst A. et al. (2014). Neurogenesis in the striatum of the adult human brain // Cell, 156. P. 1072–1083.

40

Meijer J.H., Robbers Y. (2014). Wheel running in the wild // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 281. P. 20140210–20140210.

41

Van Praag H., Kempermann G. and Gage F. H. (1999). Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus // Nature Neuroscience, 2. P. 266–270.

42

Gould E., Beylin A., Tanapat P., Reeves A. and Shors T. J. (1999). Learning enhances adult neurogenesis in the hippocampal formation // Nature Neuroscience, 2. P. 260–265.

43

Hillman C.H., Erickson K.I. and Kramer A.F. (2008). Be smart, exercise your heart: exercise effects on brain and cognition // Nature Reviews Neuroscience, 9. P. 58–65.

44

Sink K.M. et al. (2015). Effect of a 24-month physical activity intervention vs health education on cognitive outcomes in sedentary older adults: The LIFE randomized trial // Journal of the American Medical Association, 314. P. 781–790.

45

Schnohr P., Marott J.L., Lange P. and Jensen G.B. (2013). Longevity in male and female joggers: the Copenhagen City Heart Study // American Journal of Epidemiology, 177. P. 683–689.

46

Veerman J.L. et al. (2012). Television viewing time and reduced life expectancy: a life table analysis // British Journal of Sports Medicine, 46. P. 927–930.

47

Aberg M. A.I. et al. (2009). Cardiovascular fitness is associated with cognition in young adulthood // Proceedings of the National Academy of Sciences, 106. P. 20906–20911.

48

Erickson K.I. et al. (2011). Exercise training increases size of hippocampus and improves memory // Proceedings of the National Academy of Sciences, 108. P. 3017–3022.

49

Nyberg J. et al. (2014). Cardiovascular and cognitive fitness at age 18 and risk of early-onset dementia // Brain, 137. P. 1514–1523.

50

Aimone J.B., Wiles J. and Gage F. H. (2009). Computational influence of adult neurogenesis on memory encoding // Neuron, 61. P. 187–202.

51

Wiskott L., Rasch M. J. and Kempermann G. (2006). A functional hypothesis for adult hippocampal neurogenesis: avoidance of catastrophic interference in the dentate gyrus // Hippocampus, 16. P. 329–343.

52

Garthe A., Behr J. and Kempermann G. (2009). Adult-generated hippo-campal neurons allow the flexible use of spatially precise learning strategies // PLoS ONE, 4. P. e5464.

53

Garthe A., Roeder I. and Kempermann G. (2015). Mice in an enriched environment learn more flexibly because of adult hippocampal neurogenesis // Hippocampus, 26. P. 261–271.

54

Dupret D. et al. (2007). Spatial learning depends on both the addition and removal of new hippocampal neurons // PLoS Biol, 5. P. e214.

55

Burghardt N. S., Park E. H., Hen R. and Fenton A. A. (2012). Adult-born hippocampal neurons promote cognitive flexibility in mice // Hippocampus. doi: 10.1002/hipo.22013

56

Akers K.G., Martinez-Canabal A., Restivo L., Yiu A.P., De Cristofaro A., Hsiang H.L., Wheeler A.L., Guskjolen A., Niibori Y., Shoji H., Ohira K., Richards B.A., Miyakawa T., Josselyn S.A. and Frankland P. W. Hippocampal neurogenesis regulates forgetting during adulthood and infancy // Science, 344 (6184). P. 598–602. doi: 10.1126/science.124890

57

Amrein I., Lipp H.-P. (2009). Adult hippocampal neurogenesis of mammals: evolution and life history // Biology Letters, 5. P. 141–144.

58

Norton S., Matthews F.E., Barnes D. E., Yaffe K. and Brayne C. (2014). Potential for primary prevention of Alzheimer’s disease: an analysis of population-based data // The Lancet Neurology, 13 (8). P. 788–794. doi: 10.1016/S1474-4422(14)70136-X.

59

Kempermann G. (2008). The neurogenic reserve hypothesis: what is adult hippocampal neurogenesis good for? // Trends in Neurosciences, 31 (4). P. 163–169. doi: 10.1016/j.tins.2008.01.002

60

Jacobs B.L., van Praag H. and Gage F.H. (2000). Adult brain neurogenesis and psychiatry: a novel theory of depression // Molecular Psychiatry, 5 (3). P. 262–269.

61

Santarelli L., Saxe M., Gross C., Surget A., Battaglia F., Dulawa S., Weisstaub N., Lee J., Duman R., Arancio O., Belzung C. and Hen R. (2003). Requirement of hippocampal neurogenesis for the behavioral effects of antidepressants // Science, 301 (5634). P. 805–809. PubMed PMID 12907793.

62

Freund J. et al. (2015). Association between exploratory activity and social individuality in genetically identical mice living in the same enriched environment // Neuroscience, 309. P. 140–152.

63

Freund J. et al. (2013). Emergence of individuality in genetically identical mice // Science, 340. P. 756–759.

64

Kempermann G. (2012). New neurons for “survival of the fittest” // Nature Reviews Neuroscience, 13 (10). P. 727–736. doi: 10.1038/nrn3319

Примечания

1

Однако нельзя отрицать и серьезное влияние генетических факторов. См.: McGue M., Bouchard T.J. Jr. Genetic and environmental influences on human behavioral differences // Annual Review of Neuroscience, 21.P. 1–24. – Здесь и далее, если не указано иное, примеч. науч. ред.

2

Возможные функции аппендикса до сих пор являются предметом дискуссий.

3

Здесь имеется в виду один определенный тип памяти – «декларативная память», включающая осознанные, в том числе биографические, воспоминания.

4

Обонятельный мозг (лат. Rhinencephalon) – собирательный термин, включавший в разное время разный набор анатомических структур, относящихся к конечному мозгу.

5

Метаболизм, или обмен веществ, – набор химических реакций, необходимый для поддержания жизнедеятельности клетки. Активный метаболизм – увеличение скорости или количества реакций за единицу времени для выполнения специализированных функций клетки; для нейрона это проведение импульса и синтез медиаторов. Повышение скорости обмена веществ на продолжительное время (десятки минут) требует синтеза дополнительного количества ферментов, в состав которых и включается меченый лейцин.

6

Отрицательный контроль – образец, для которого заведомо известно, что при нормальном ходе эксперимента результат будет отрицательным (то есть будет отсутствовать исследуемый сигнал, свойство, вещество и т. д.). Если результат положительный, значит, в эксперименте что-то пошло не так. – Примеч. перев.

7

По современным представлениям, формирование амилоидных бляшек, отличительной черты этого заболевания, начинается в энторинальной области коры, тесно связанной с гиппокампом. Самые ранние симптомы заболевания, такие как потеря ориентации в пространстве, возникают именно из-за ее повреждения, что подтверждает высказанное далее автором предположение.

8

Основные красители – используемые в гистологии красители, селективно окрашивающие базофильные (содержащие нуклеиновые или иные кислоты) структуры клетки. Классический основный краситель – гематоксилин.

9

Анатомически гиппокамп также относится к корковой формации, но к так называемой атипичной коре, или аллокортексу. Типичная кора, или изокортекс, чаще называемый новой корой, или неокортексом, у высших млекопитающих в эмбриональном развитии проходит стадию шести слоев, различающихся по составу нейронов. Аллокортекс как во время развития, так и во взрослом состоянии имеет меньшее количество слоев и подразделяется на древнюю кору (архикортекс) и старую кору (палеокортекс).

10

Стволовые клетки – недифференцированные клетки, которые способны делиться, образуя новые стволовые клетки, и дифференцироваться, то есть приобретать специализированный фенотип, позволяющий выполнять специализированные функции, например нейрональные. Дифференциация является в большинстве случаев однонаправленным процессом. Клетки поэтапно теряют возможность (потентность) к превращению в другие типы клеток. Оплодотворенная яйцеклетка и образующиеся в ходе ее первых делений бластомеры наименее дифференцированы и могут образовывать все ткани как самого эмбриона, так и трофобласта (необходимого для имплантации и формирования плаценты). Такие клетки называют тотипотентными. По мере дальнейшей специализации возможности формирования разных типов клеток сильно ограничиваются. Плюрипотентные клетки эмбриона уже не способны сформировать ткани плаценты, мультипотентные могут формировать только клетки определенного набора тканей, олигопотентные специализируются лишь в близкие по свойствам клетки, а унипотентные, называемые также клетками-предшественницами, могут дифференцироваться исключительно в какой-то один тип клеток.

11

Жестко заданная форма и возможность миграции (движения) клетки взаимно исключают друг друга. Поэтому для осуществления миграции цитоскелет должен быть определенным образом дестабилизирован. См. также: Moon H.M., Wynshaw-Boris A. (2013, March – April). Cytoskeleton in action: lissencephaly, a neuronal migration disorder // Wiley Interdisciplinary Reviews: Developmental Biology, 2 (2). P. 229–245.

12

Слово «даблкортин» образовано от англ. «double» – «двойной» и «cortex» – «кора». – Примеч. перев.

13

Расшифровывается как «нейрональный ядерный антиген». – Примеч. перев.

14

ЦЕРН – Европейская организация по ядерным исследованиям. – Примеч. перев.

15

Международная премия по биологии (англ.). – Примеч. перев.

16

Импрегнация – пропитывание, насыщение. – Примеч. перев.

17

Обычно срезы для метода Гольджи делают толстыми (10–100 мкм), чтобы увидеть нейрон с большинством его отростков.

18

Имеется в виду так называемый перфорантный путь, связывающий нейроны энторинальной коры и зубчатую извилину гиппокамповой формации.

19

CA3, а также СА1, СА2 – отделы (или, по-другому, поля) гиппокампа. От лат. Cornu Ammonis (Аммонов pог) – старое название гиппокампа.

20

CA2 и CA3. – Примеч. перев.

21

Это прозвище, в частности, указано вместо имени на страничке ученого на сайте Института Солка. – Примеч. перев.

22

Культивировать клеточную культуру – вырастить клетки в искусственных условиях, in vitro. – Примеч. перев.

23

Сказка братьев Гримм. – Примеч. перев.

24

Слоган рекламной кампании вакцинации от полиомиелита в 60-х годах XX века в Германии. – Примеч. перев.

25

Потентность стволовой клетки – ее способность, дифференцируясь, становиться клетками разного типа; чем более дифференцирована клетка, то есть чем более определен ее тип, тем меньше потентность. – Примеч. перев.

26

Одно из первых употреблений термина «стволовая клетка» принадлежит русскому гистологу А. А. Максимову и датируется 1909 г.

27

В русской терминологии понятия «клетка-предшественница» и «прогениторная клетка» тоже зачастую используют взаимозаменяемо, и обозначают так унипотентные или олигопотентные клетки с ограниченными способностями к самообновлению. Однако их четко отличают от мультипотентных стволовых клеток, способных к почти неограниченному самообновлению.

28

Слово «келья» пришло к нам из греческого языка, но происходит от того же латинского корня, что и английское «cell» – «клетка». – Примеч. перев.

29

От англ. Green fluorescent protein (GFP).

30

Например, европейский проект The Blue Brain Project по компьютерному моделированию головного мозга человека. См. https://bluebrain.epfl.ch/

31

Возбуждение, активация, стимуляция (англ.). – Примеч. перев.

32

Журнал о здоровье, который можно бесплатно получить в аптеках Германии. – Примеч. перев.

33

Ф и з и к у м – аттестация, которую в Германии студенты-медики проходят после четырех или пяти семестров обучения. – Примеч. перев.

34

Название раздела – отсылка к популярным фильмам и телесериалам про приключения дельфина Флиппера (Flipper). – Примеч. ред.

35

Имеется в виду отношение размера обонятельных луковиц к размеру всего головного мозга в целом (см.: McGann J.P. (2017, May 12). Poor human olfaction is a 19th-century myth // Science, 356 (6338). pii: eaam7263. doi: 10.1126/science.aam7263). Однако в абсолютных величинах обонятельные луковицы человека значительно больше обонятельных луковиц грызунов и некоторые запахи мы различаем в очень низких концентрациях.

36

Скопления клеток в периферической нервной системе (базальные ядра) исторически называли ганглиями.

37

Не совсем точное утверждение. Многие кораллы имеют в своем жизненном цикле свободноплавающую личинку с нервной системой.

38

Райл Гилберт (1900–1976) – английский философ, представитель оксфордской школы «обыденного языка» (лингвистическая философия). – Примеч. ред.

39

Необщая среда (англ.). – Примеч. перев.

40

Герст Александр (р. 1976) – геофизик, вулканолог, 11-й космонавт Германии и 539-й космонавт мира. – Примеч. ред.

41

Трансляционные исследования – еще не вполне устоявшееся в российской науке понятие. Здесь имеется в виду взаимосвязь между фундаментальной наукой и ее практическим приложением (которым она вдохновляется), в первую очередь в биотехнологиях и медицине. – Примеч. перев.

Content

Герд Кемперманн
Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг

Предисловие Эта книга изменит ваш мозг

1 Новые нервные клетки!

Индивидуальный мозг

Регенерация в человеческом теле

Зоны нейрогенеза

Мифы о мозге

Джозеф Альтман открывает нейрогенез взрослых

Очарованные пластичностью

2 Позитивное следствие холодной войны

Как найти новые нервные клетки

Пределы нейрогенеза взрослых у человека

Нужно больше подтверждений

Стволовые клетки в мозге человека

Как нейробиологи бомбу полюбили

3 «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда»

От еретиков к ортодоксам

От нейроанатомии к молекулярной биологии

Все может умереть, ничто не может регенерировать

«Возможно, это правда, но это не важно»

Повторное открытие нейрогенеза взрослых

Фред Гейдж: нейрогенез взрослых находит свое место

Мастер по связям: Джонас Солк и его институт

Гений места

Обогащенная среда стимулирует нейрогенез взрослых

4 Развитие и пластичность

Френология

Мозг – это не компьютер

Пластичность

Как развивается мозг

Откуда берутся новые нервные клетки?

Небольшой экскурс: спор о стволовых клетках

Стволовые клетки: определение

Клетки и клеточное деление

Как исследуют стволовые клетки: о сферах и слоях

Нервные клетки

Стволовые клетки и нейрогенез взрослых

Стволовые клетки как место взаимодействия генотипа и среды

Еще один ложный путь: бихевиоризм

Дональд Хебб

Обогащенная среда

Переносы

Мозгу «полезно» работать

5 Морской конек в голове

Гиппокамп

H.M.

«Помни»

Более простое строение

Загадочная зубчатая извилина

Пока, Флиппер!

6 Что дальше? Зоны нейрогенеза

Нейрогенез взрослых в других областях мозга

Где есть нейрогенез и где его нет

Обоняние

Нейрогенез в слизистой оболочке носа

Новые нервные клетки для обонятельной луковицы

Субвентрикулярная зона

Споры о новых нейронах в коре головного мозга

Нейрогенез взрослых в полосатом теле

И все-таки третья зона нейрогенеза?

Птицы

Мастера нейрогенеза: данио-рерио

Восстановительный нейрогенез

7 Новые нейроны для подвижного мозга

Серендипити

Ричард Моррис и его лабиринт

Неожиданный результат в контрольной группе

Мозг создан для движения

Самая страшная тайна медицины

Физическая активность способствует умственной деятельности

Физическая активность и эффект такси

Резервы: физическая активность и «успешное старение»

Бегство от деменции

8 Новые нейроны для новых мыслей

Первая попытка объяснить функцию новых нервных клеток

Условный рефлекс страха

Путь указывают компьютерные модели

Парковочная аналогия

Новые нейроны в водном лабиринте

Новые нейроны помогают забывать

Дилемма стабильности-пластичности

9 Что меняет нейрогенез взрослых

Проклятие XXI века: деменция

Если не излечить, то сдержать и отсрочить

Теория резервов нейрогенеза

Депрессия

Спасите гиппокамп!

Успешное старение

Индивидуальность

Новые нервные клетки в борьбе за выживание

Послесловие

Благодарности

Вклейка

Фотоматериалы

Комментарии

Примечания