Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Чтобы нервы смогли дотянуться до своих конечных целей во время развития эмбриона, крайне важна правильная ориентация растущего аксона. Еще на ранней стадии развития нервной клетки на кончике аксона формируется бугорок роста. Он направляет движение растущего аксона и тянет его за собой: подобно клетке, мигрирующей в пределах организма, он постоянно выбрасывает вперед тонкие, похожие на пальцы отростки; они прикрепляются к той поверхности, над которой движется бугорок роста, и затем сокращаются. Выбрасывание и последующее сокращение этих отростков тянет бугорок роста вместе с растущим аксоном вперед. Эти отростки ощупывают окружающую среду и определяют, в какую именно сторону следует направиться растущему аксону. Направление движения бугорка роста определяется молекулами, испускаемыми поверхностью тех клеток, над которыми он проходит. Одни молекулы «отталкивают» его, другие, наоборот, «притягивают».

Как иллюстрацию к сказанному можно рассмотреть то, как оптический нерв, исходящий из сетчатки глаза, устанавливает необходимые соединения с соответствующими долями головного мозга. Этот механизм изучен на примере лягушек, однако те же самые принципы задействованы и в человеческом организме. Светочувствительные клетки сетчатки активируют нервы, которые образуют оптический нерв, и нервы из правого глаза протягиваются в левое полушарие мозга, в то время как нервы из левого глаза устанавливают соединение с нервными клетками правого полушария. Существует абсолютно точное соответствие между отдельными областями сетчатки и соответствующими им зонами головного мозга. Во время экспериментов на лягушках в случае, если оптический нерв перерезали и глаз лягушки поворачивали на 180 градусов так, что он оказывался направленным вниз, аксоны вырастали вновь и устанавливали прежний контакт с соответствующими им зонами головного мозга. Однако в этом случае взгляд лягушки был «повернут» на 180 градусов: когда лягушка хотела схватить муху, она совершала движение головой в противоположном от нее направлении.

Механизм, позволяющий нервам правильно соединяться с другими нервами и с соответствующими клетками головного мозга, работает благодаря особым молекулам на поверхности оболочки бугорка роста и их взаимодействию с молекулами, находящимися на оболочках тех клеток, с которыми движущийся вперед бугорок роста вступает в контакт. В настоящее время исследователи полагают, что и аксоны оптического нерва, и клетки головного мозга имеют характерные для них позиционные значения, которые позволяют им устанавливать правильные контакты. Это позволяет бугорку роста оптического нерва при движении по поверхности клеток мозга выбирать соответствующую ему клетку, с которой устанавливается контакт через синапс. Когда же движущиеся вперед аксоны пытаются установить контакт с клеткой, которая им не предназначена, то происходит реакция отторжения и они вынуждены двигаться дальше.

В ходе развития нервной системы многие клетки погибают и отмирают. В районе формирования растущей конечности образуется до 20 тысяч моторных нервов, однако затем половина из них исчезает. Перспективы дальнейшего существования нервов зависят от того, установят они контакт с мышечными клетками или нет. И даже если им удастся установить такой контакт, то в конечном счете из всех нервов, установивших контакт с мышцей, выживет лишь один — он и станет рабочим. Нервы соревнуются друг с другом, чтобы сохранить себе жизнь, и в результате контакт с мышцей устанавливает самый сильный из них. Соответственно и передаваемый по нему нервный импульс будет самым сильным. То, что аксоны обязательно находят надлежащие мышечные клетки, наглядно иллюстрируется экспериментом, во время которого часть спинного мозга переворачивается нижней стороной вверх: хотя теперь аксоны входят в конечность совсем не там, где должны, они все равно находят соответствующие им мышцы.

Возвращаясь к головному мозгу, следует отметить одно поразительное обстоятельство: несмотря на различие тех функций, которые выполняют разные участки мозга, нервные клетки, из которых они состоят, в своей основе одинаковы. Одна зона мозга отличается от другой прежде всего количеством нервных клеток и тем, как они соединены друг с другом. Именно соединение клеток придает им особое качество и определяет чрезвычайно сложную структуру мозга. Кроме того, в любой, даже небольшой, размером с песчинку, области нашего мозга содержатся тысячи миллионов синапсов. А сколько всего таких «песчинок» содержится в нашем мозгу…

Нам вряд ли удастся когда-либо понять работу мозга, если мы не найдем какие-то новые подходы. Ведь сейчас мы даже толком не понимаем в принципе простые схемы взаимодействия нейронов. Что же тогда говорить о миллиардах синапсов, от которых зависит сама наша человеческая сущность? Этот механизм характеризуется сложностью, возведенной в высочайшую степень сложности.

Существуют две накладывающиеся друг на друга стадии, от которых зависит, как наши нервы будут взаимодействовать друг с другом — а значит, и то, как мы будем мыслить, учиться, чувствовать и запоминать. Первая стадия приходится на период эмбрионального развития и проходит в основном под контролем генов. Во время же второй стадии идет тонкая настройка системы, и основой ее служит приобретаемый человеком опыт. Наша память сохраняется в связанных друг с другом в мозгу сообществах нервных клеток, которые также отвечают за наши способности к обучению.

Как же мы запоминаем и как мы приобретаем опыт, то есть учимся? Суть этих явлений таится в нервных клетках, она все еще не до конца разгадана, однако ясно, что многие ответы коренятся в наших синапсах. Механизм обучения связан с уменьшением эффективности синаптической передачи импульсов от сенсорных нервов к моторным. Это хорошо показал эксперимент, проведенный, однако, не с участием людей, поскольку очень сложно проследить за изменениями в синаптических связях человека и других позвоночных (в них задействовано великое множество клеток). Героем этого эксперимента стал морской слизень аплизия. В ответ на касание жабр слизень смыкал их. Но с каждым разом жабры смыкались с меньшей силой. Это, как показало исследование, происходило вследствие уменьшения числа пузырьков-трансмиттеров, которые выбрасываются нервами в синапсах, что, в свою очередь, явилось следствием снижения синаптического потенциала в реагирующих нервах. Увеличение или уменьшение количества пузырьков-трансмиттеров, скорее всего, и является основой механизма действия так называемой «короткой памяти», базирующейся на взаимодействии сетей нервных клеток.