Алан Джасанов - Мозг: прошлое и будущее [Что делает нас теми, кто мы есть]

На уровне клеток и синапсов сложность мозга значительно нарастает из-за микроскопической Вселенной хитроумных элементов, составляющих каждую клетку. Каждая клетка несет 35 000 генов, которыми природа снабдила нас, людей. В разных структурах мозга профиль экспрессии генов (какие гены включены, а какие выключены) существенно разнится; у мышей одни лишь паттерны экспрессии генов позволяют нам идентифицировать более 50 смежных областей и подобластей мозга [137] Y. Ko et al., «Cell type-specific genes show striking and distinct patterns of spatial expression in the mouse brain», «Proceedings of the National Academy of Sciences» 110 (2013): 3095–3100. . Каждая клетка мозга содержит также многочисленные органеллы, субклеточные структуры, которые выполняют задачи вроде хранения генетического материала и утилизации отходов. Среди органелл в мозге особенно распространены митохондрии, «клеточные энергоустановки»; они потребляют около 20 % всего запаса энергии, расходуемой организмом [138] D. Attwell and S. B. Laughlin, «An energy budget for signaling in the grey matter of the brain», «Journal of Cerebral Blood Flow Metabolism» 21 (2001): 1133–1145. . Если перейти на масштаб еще меньше, окажется, что в мозге содержится бесчисленное множество биоактивных молекул. Среди важных разновидностей этих молекул и около сотни нейромедиаторов и нейромодуляторов, о которых мы говорили в предыдущей главе, и крупные биологические молекулы, например, белки и ДНК, играющие в пределах каждой клетки весьма специфические роли. В сумме молекул в мозге больше, чем звезд во Вселенной, – их буквально миллиарды миллиардов миллиардов.

Однако многие нейрофизиологи скажут, что сложность мозга гораздо нагляднее видна не в количестве его компонентов, а во взаимодействиях между ними. В ведре воды молекул больше, чем в мозге, но поскольку все молекулы в ведре имеют одну и ту же скучную формулу H 2O, в нем возможно лишь относительно небольшое количество взаимодействий нескольких конкретных типов. Биомолекулы мозга, напротив, обладают самыми разными структурами со множеством деталей и вступают в избирательные взаимодействия с определенными наборами других молекул в зависимости от их формы. Если каждый тип молекул в мозге обозначить точкой, а каждое взаимодействие – линией между парой точек, в результате получится огромный пушистый клубок пересекающихся линий, и для его интерпретации понадобится сложный вычислительный анализ.

Сложность молекулярных взаимодействий в клетках наблюдается во всех органах в организме, однако в мозге есть и дополнительный уровень сложности, характерный только для него, – это взаимодействия между клетками. Благодаря тоненьким аксонам и дендритам нейронов, а также влиянию астроцитов, которые запускают самые разные клеточные процессы по своим отросткам, клетки мозга способны дотягиваться и дотрагиваться до множества разных клеток одновременно. У отдельных нейронов таких отростков бывают сотни, и они действуют словно провода, передающие электрические импульсы. Аксоны, переносящие информацию из одной части мозга в другую, достигают нескольких сантиметров в длину и составляют светлую сердцевину мозга под корой – белое вещество . По некоторым оценкам, общая длина нервных волокон в белом веществе у нормальных взрослых превышает сотню тысяч километров – это в два с лишним раза больше окружности Земли, больше суммарной длины федеральных автострад на всей территории США [139] B. Pakkenberg et al., «Aging and the human neocortex», «Experimental Gerontology» 38 (2003): 95–99; «Table HM-20: Public Road Length, 2013, Miles by Functional System», Office of Highway Policy Information, Federal Highway Administration, www.fhwa.dot.gov/policyinformation/statistics/2013/hm20.cfm, данные на 21 октября 2014 г. . Если же взять, к примеру, печень, мы обнаружим, что клеток в ней столько же, сколько в мозге, однако связи между ними значительно ограниченнее [140] E. Bianconi et al., «An estimation of the number of cells in the human body», «Annals in Human Biology» 40 (2013): 463–471. . Клетки печени компактны и контактируют лишь с десятком непосредственных соседок в ткани. Они живут в эпоху до шоссе и телефонов по сравнению с клетками мозга, обитающих в эру Интернета.

Задача составить схему всех связей между клетками мозга испугает даже Геракла от науки, однако именно этим занимается сравнительно новая отрасль нейрофизиологии – коннектомика [141] Sebastian Seung, «Connectome: How the Brain’s Wiring Makes Us Who We Are» (Boston: Houghton Mifflin Harcourt, 2012). . Ученые, занимающиеся коннектомикой, применили те же процедуры, что и для подсчета синапсов при помощи электронного микроскопа, только на огромных масштабах. Они исследовали не отдельные ультратонкие срезы мозговой ткани, а систематически изучали каждый срез (каждую клетку, каждый синапс) в целых блоках ткани. Поскольку это очень трудно и стоит очень дорого, пока что были проанализировали только блоки объемом меньше кубического миллиметра, однако в результате уже появилась новая информация о межклеточных контактах.

Одну из первых статей по коннектомике опубликовали Уинфрид Денк, Себастьян Сеунги их коллеги. Статья посвящена анализу маленького образца сетчатки глаза мыши; хотя сетчатка, строго говоря, не является отделом мозга, анатомически она очень близка к мозговой ткани и тоже считается частью центральной нервной системы [142] M. Helmstaedter et al., «Connectomic reconstruction of the inner plexiform layer in the mouse retina», «Nature» 500 (2013): 168–174; John E. Dowling, «The Retina: An Approachable Part of the Brain» (Cambridge, MA: Belknap Press of Harvard University Press, 1987). . Ученые применяли и автоматические методы обработки данных, и анализ изображений вручную (он занял 20 тысяч часов, к счастью, распределенных на несколько человек) и выделили в блоке ткани сетчатки 840 нейронов. Каждый нейрон контактировал в среднем со 150 другими клетками – примерно столько, сколько «френдов» у типичного пользователя Фейсбука. Только подумайте, сколько возможных контактов получится, если обобщить это число на все 100 миллиардов нейронов в мозге человека: если каждый из нейронов может контактировать со 150 случайно выбранными партнерами, значит, для каждой клетки возможно около 10 1389конфигураций (единица с 1389 нулями). По сравнению с этим числом меркнут все числа, с которыми мы сталкиваемся в живой природе, даже число атомов в известной Вселенной, как полагают, составляет всего 10 80(единица с 80 нулями) – сущий пустяк. Конечно, рассчитывать конфигурации подобным методом – очень произвольный подход к изучению структуры мозга, однако результат все же показывает, как поразительно многообразны паттерны связности между клетками мозга, по крайней мере, теоретически.

Когда задумываешься о числовом выражении невероятной сложности мозга, легко поддаться на соблазны сакрализации мозга. Мы пасуем перед его хитросплетениями и готовы признать, что мозг – это загадка под покровом тайны в ореоле мистицизма. Нам уже не очень важно, что создало мозг – высшая сила или эволюция; вопрос в другом – как разобраться в его механизмах? Если у нас возникает искушение оставить надежду когда-нибудь понять, что такое мозг, и выяснить, каковы его чудесные способности, то, вероятно, мы просто считаем, что задача разом охватить деятельность миллиардов клеток, триллионов связей и октильонов молекул попросту не по силам человеческой изобретательности. Но отчаяться мы еще успеем, а пока зададимся вопросом, в какой степени астрономические количества клеток и связей в человеческом мозге необходимы для объяснения его функционирования. Если отлить из ведра воды одну каплю, разницы никто не заметит, более того, мы можем описать содержимое ведра в физических терминах, не имеющих отношения к отдельным капелькам. А если так, возможно, стоит спросить, в какой степени отдельные клетки и их связи влияют на функционирование мозга в целом?