Количество нейронных связей в мозгу

На протяжении многих лет ученые думали, что головной мозг взрослого человека остается неизменным. Однако теперь науке точно известно: на протяжении всей жизни в нашем мозге формируются все новые и новые синапсы — контакты между нейронами или получающими их сигнал клетками другого типа. В совокупности

нейроны и синапсы формируют нейронную сеть, отдельные элементы которой постоянно контактируют между собой и обмениваются информацией.

Именно нейронные связи помогают разным областям головного мозга передавать друг другу данные, тем самым обеспечивая жизненно важные для нас процессы: формирование памяти, продуцирование и понимание речи, управление движениями собственного тела. Когда нейронные связи нарушаются (а произойти это может в результате заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, или же из-за физической травмы), определенные области головного мозга теряют способность взаимодействовать между собой. Вследствие этого становится невозможным выполнение какого-либо действия, как умственного (запоминание новой информации или планирование своих действий), так и физического.

Уникальность работы исследовательской группы Стивена Смита заключалась в том, что ученые не концентрировали свое внимание на связях между конкретными областями мозга или на его определенных функциях, а изучали процессы в целом.

Подробнее ознакомиться с полученными данными можно в журнале Nature Neuroscience.

Люди, мозг которых был богат контактами между нейронами, как правило, получили высшее образование, не имели проблем с законом, стремились вести здоровый образ жизни, находились в хорошем психологическом состоянии и в целом демонстрировали высокий уровень удовлетворенности жизнью.

Как утверждают авторы исследования, взаимосвязь между количеством нейронных связей и качеством жизни человека была такой яркой и сильной, что сами ученые были поражены этим.

Отделу науки удалось связаться с ведущим автором работы Стивеном Смитом и поговорить с ним о деталях работы.

— Можно ли дать точное объяснение того, почему количество нейронных связей в головном мозге оказывает прямое воздействие на качество жизни человека: например, сказать, что число связей каким-то образом влияет на мозговую деятельность?

— Нет, говорить о таких причинно-следственных связях пока рано, так как все это — предмет сложного и многовариантного корреляционного анализа. Поэтому пока что мы не можем заявить, что мозг, в котором много нейронных связей, заставляет человека учиться на несколько лет дольше (или наоборот — что многолетнее обучение увеличивает количество нейронных связей).

— Та работа, которую мы проделали сейчас — сканирование головного мозга при помощи магнитно-резонансной томографии, — может показать лишь то, насколько тесно связаны между собой те или иные области мозга. Она также отражает множество других биологических факторов меньшей важности — например, демонстрирует точное количество нейронов, связывающих эти области. А вот понимание того, как эти связи влияют на поведение, умственные способности, образ жизни человека, — это основной вопрос, который стоит перед сотрудниками проекта Human Connectome Project.

— Стивен, а существует ли корреляция между числом нейронных связей в головном мозге родителей и детей?

— А вот тут я могу однозначно ответить — да. Существует множество доказательств того, что количество нейронных связей, скажем так, передается по наследству. В рамках нашего проекта мы собираемся изучить это явление более глубоко. Хотя, несомненно, существуют и другие важные факторы, которые влияют на функционирование мозга и формирование нейронных связей.

— А возможно ли — хотя бы теоретически — каким-то образом повлиять на количество нейронных связей и таким образом изменить качество жизни человека?

Можно привести и другой, более простой и обыденный пример: мы же все знаем, что обучение и практика в каком-либо виде деятельности помогают улучшить выполнение этой самой деятельности.

Но ведь обучение — по определению — изменяет нейронные связи головного мозга, пусть иногда мы и не в состоянии это зафиксировать.

Что касается вашего вопроса, то проблема глобального изменения поведения или способностей человека остается масштабным и чрезвычайно интересным объектом исследования.

Люди с большим показателем IQ имеют меньше связей в коре головного мозга.

Измерить интеллект человека сегодня очень просто, но как узнать, от чего зависит уровень IQ?

Учёных давно волнует вопрос, почему одни люди умнее других. Оказалось, одна из причин кроется в наших генах.

К разгадке другой причины приблизились немецкие исследователи. Команда из Рурского университета совместно с коллегами из Берлинского университета имени Гумбольдта и Университета Нью-Мексико (США) выяснила, что чем большим интеллектом обладает человек, тем меньше связей между нейронами образуется в его мозге.

Напомним, нейроны – электрически возбудимые клетки мозга – имеют отростки, называемые дендритами и аксонами. Аксоны одного нейрона соединяются с дендритами другого, и место этого контакта называется синапс. Через него и происходит передача нервного импульса от одного нейрона в другому.

Благодаря особому методу нейровизуализации, который помогает отследить связи нейронов на микроструктурном уровне, специалисты выявили удивительную закономерность: у более умных людей количество дендритов и, соответственно, связей между нейронами, намного меньше, чем у людей с более низким интеллектом.

В работе приняли участие 259 мужчин и женщин в возрасте от 18 до 40 лет. Все они прошли тест на выявление уровня IQ, а также процедуру под названием диффузионная спектральная томография. Это как раз тот метод визуализации, при помощи которого можно определить количество дендритов в коре головного мозга.

Затем учёные сравнили результаты, и оказалось, что у людей с самыми высокими показателями интеллекта было меньше всего дендритов.

Это может показаться странным, признают авторы. Ранее было установлено, что мозг умных людей в большинстве случаев превосходит по размеру мозг людей, не столь одарённых интеллектом (по той же причине, например, собаки умнее кошек).

«Предполагалось, что больший мозг содержит больше нейронов и, следовательно, обладает большей вычислительной способностью», — говорит один из ведущих авторов работы Эрхан Генч (Erhan Genç).

Кроме того, логично было бы предположить, что чем больше дендритов имеет нейрон, тем больше связей он образует и больше информации получает.

Читайте также:  Можно ли жить без костного мозга

Поэтому исследователи решили проверить результаты при помощи нейронных карт, собранных в рамках проекта Human Connectome. Эксперты проанализировали и сравнили около 500 нейронных карт людей разного возраста, и в итоге их результат подтвердился.

Согласно новым данным, число дендритов не зависит от размера мозга и, соответственно, количества нейронов в нём. Процедура МРТ показала, что мозг более умных участников действительно имел больше нейронов, однако демонстрировал меньшую нейронную активность во время прохождения теста IQ, чем мозг менее умных людей.

По словам Эрхана Генча, несмотря на то, что у интеллектуалов меньше нейронных связей, работают клетки их мозга более эффективно. Таким образом, умственная производительность остаётся высокой даже при низкой активности нейронов.

Нейробиологи намерены продолжить разработку и изучение гипотезы нейронной эффективности; пока они воздерживаются от обобщения результатов и обозначения причинно-следственных связей.

Научная статья по итогам исследования была опубликована в журнале Nature Communications.

Кстати, ранее специалисты научились выявлять гениев при помощи сканирования мозга. Также выяснилось, что, что длительное вождение разрушает интеллект с тем же успехом, что и просмотр телевизора. А вот привычка лениться оказалась признаком высокого интеллекта.

Он участвует к мегапроекте Human Connectome Project, цель которого — составить наиболее полное описание структуры и закономерностей работы нейронных сетей человеческого мозга.

Узнать подробности про этот проект можно здесь. Там же можно прослушать саму лекцию. Ниже приводится полная её расшифровка.

«Мы живем в удивительное время, эру геномики. Ваш геном – это вся последовательность вашей ДНК. Ваша и моя последовательности немного различаются. Вот почему мы выглядим по-разному. У меня карие глаза. Ваши могут быть голубыми или серыми. Но дело не только во внешности. Газеты пестрят заголовками, что наши гены передают нам страшные заболевания, формируют наши личности или даже являются причиной умственных расстройств. Похоже, наши гены имеют колоссальное влияние на наши судьбы. И все же, я склонен думать, что я больше чем мои гены. Дорогие зрители, что вы об этом думаете? Вы что-то еще чем просто ваши гены? [Аудитория: Да.] Да? Вижу, что многие со мной согласны. Я думаю, что мы должны заявить об этом. Я думаю, что мы должны сказать это все вместе. Скажите: «Я не только мои гены!» – все вместе. >> Себастьян и аудитория: «Я не только мои гены!» [возгласы одобрения] …что же я? [смех в зале] Я – мой коннектом. Теперь, раз вы все такие замечательные, может быть вы меня осчастливите и тоже повторите это? [смех в зале] Отлично. Все вместе. >> Себастьян и аудитория: «Я – мой коннектом!» >> Себастьян: Это звучало великолепно. Вы такие замечательные ребята, вы не зная, что такое коннектом, все равно готовы помогать мне. Миссия выполнена — можно идти домой.

На самом деле пока только один коннектом известен, коннектом этого червячка. Его скромная нервная система состоит из всего лишь трехсот нейронов. И в 1970-х и в 80-х годах команда ученых нанесла на карту все 7 000 соединений между этими нейронами. На этой диаграмме каждый узел – это нейрон, а каждая линия – соединение. Это коннектом червя-нематоды. Ваш коннектом намного сложнее этого, потому что ваш мозг содержит 100 миллиардов нейронов и в 10 000 раз больше соединений. Можно составить подобную диаграмму и для вашего мозга, но она никаким образом не сможет поместиться на этот слайд. Ваш коннектом содержит в миллион раз больше соединений, чем количество букв в вашем геноме. Это ОЧЕНЬ много информации.

Что это за информация? Нам не известно это наверняка, но есть теории. С 19-го века неврологи стали подозревать, что, может быть, это ваши воспоминания – информация, делающая вас вами – может быть, ваши воспоминания хранятся в соединениях между нейронами вашего мозга. И возможно другие аспекты вашей индивидуальности – ваша личность и ваш интеллект – может быть, они тоже закодированы в соединениях между нейронами. Теперь вам должно быть понятно, почему я заявил об этой гипотезе: Я – мой коннектом. Я не стану вас просить повторять это как заклинание. Я только хочу, чтобы вы запомнили это. На самом деле мы не знаем, верна ли эта гипотеза, потому что у нас никогда не было технологий настолько сильных, чтобы проверить ее. Определение коннектома этого червя заняло более 12 лет упорного труда. Чтобы определить коннектом мозга, сравнимого с нашим, мы должны иметь более продвинутые автоматизированные технологии, которые увеличат скорость нахождения коннектомов. В течение следующих пары минут я расскажу вам о некоторых таких технологиях, пока находящихся в разработке в мой лаборатории и в лабораториях моих коллег.

Думаю, вы и раньше видели фотографии нейронов. И вы сразу их узнаете по их фантастическим формам. Они тянут свои ажурные ветви и немного напоминают собой деревья. Но это всего лишь один нейрон. Чтобы найти коннектомы, мы должны увидеть все нейроны одновременно. Итак, познакомьтесь с Бобби Кастури, который работает в лаборатории Джеффа Литчмана в Гарвардском Университете. Бобби держит фантастически тонкие срезы мозга мыши. Мы фотографируем его с приближением в сто тысяч раз чтобы получить достаточное разрешение, чтобы видеть все ветви нейронов одновременно. Возможно такое, что вы до сих пор их не узнаете, это потому, что мы должны работать в трех измерениях.

Если мы сделаем множество фотографий срезов мозга и сложим их вместе, мы получим трехмерное изображение. Возможно, вы все ещё не видите ветвей. Поэтому давайте начнем сверху и раскрасим поперечный срез ветви в красный цвет. Так же мы поступим для следующего среза и для еще одного. И мы продолжим делать это, срез за срезом. Если мы закончим со всей кипой, мы можем восстановить трехмерную форму маленького фрагмента ветви нейрона. То же самое сделаем с другим нейроном, покрасив его зеленым. Теперь вы видите, как зеленый нейрон касается красного в двух местах, они называется синапсами.

Читайте также:  Это намерзает на твоих мозгах вечная мерзлота на жестких минусах

Давайте приблизим один синапс, и сосредоточим внимание на внутренней части зеленого нейрона. Вам должны быть видны маленькие круги. Это везикулы, содержащие молекулы, известные как нейромедиаторы. Когда зеленый нейрон хочет передать информацию, он посылает сигнал красному нейрону, «выплевывая» нейромедиаторы. Известно, что в синапсе оба нейрона соединены вместе, словно два друга, разговаривающих по телефону.

Теперь вы видите, как найти синапс. Но как же нам найти весь коннектом? Мы берем всю трехмерную кипу изображений и смотрим на них как на огромную трехмерную книгу-раскраску. Мы окрашиваем каждый нейрон в разный цвет, затем проходим через все изображения, находим синапсы и запоминаем цвета обоих нейронов, задействованных в каждом синапсе. Если мы проделаем эту процедуру со всеми изображениями, мы найдем коннектом.

Итак, вы узнали азы о нейронах и синапсах. Поэтому я думаю, что мы уже готовы коснуться одного из самых важных вопросов неврологии: чем же отличаются мозги мужчины и женщины? [смех в зале] В популярном самоучителе по психологии, у парней мозги похожи на вафли; они расположили свою жизнь по офисным шкафам. Мозги девушек словно спагетти; всё в их жизни соединено со всем остальным. Вот вы смеетесь, а эта книга изменила мою жизнь! [смех в зале] Но если серьезно? Что здесь не так? Вы уже знаете достаточно, чтобы указать, что тут не так. Не важно, парень вы или девушка, у каждого мозги словно… спагетти. Или, если быть точнее, очень-очень тонкие спагетти с разветвлениями. Подобно тому, как одна макаронина соединяется со многими другими на вашей тарелке, один нейрон касается многих других нейронов через их запутанные ветви. Нейрон может быть соединён с таким большим количеством других нейронов, потому что существуют синапсы в местах контактов. Пока у вас, возможно, нет представления о реальном размере этого кубика нервной ткани.

Давайте сделаем ряд сравнений, чтобы это продемонстрировать. Я уверяю вас, он очень маленький. Размер его стороны – 6 микрон. Теперь посмотрите, какой он по сравнению со всем нейроном. Вы видите, что только маленький фрагмент ответвлений попадает внутрь куба. А нейрон – нейрон меньше мозга. И это лишь мозг мыши. Он намного меньше, чем мозг человека. Когда я показывал это моим друзьям, иногда они говорили мне: «Ты знаешь, Себастьян, оставь всё это. Неврология безнадёжна.» Потому что, если вы посмотрите на мозг невооруженным глазом, вы не увидите насколько мозг сложен, но когда вы используете микроскоп, только тогда скрытая сложность становится заметной.

В 17-м веке, математик и философ Блез Паскаль написал о своих страхах по поводу бесконечного, своем чувстве малозначительности в сравнении с огромными пространствами космоса. Как ученый я не должен распространяться о своих чувствах. «Это было бы слишком, профессор.» [смех в зале] Или вы позволите? [смех в зале] [аплодисменты] Я чувствую любопытство, и я чувствую удивление, но одновременно печаль. Ну зачем же я начал изучать этот орган, столь восхитительный в своей сложности, сложности возможно бесконечной? Это абсурдно. Как же мы посмели вообразить, что когда-либо сможем понять мозг?

И все же я продолжаю это донкихотское начинание. У меня даже появилось несколько надежд. В один прекрасный день армия микроскопов совместит каждый нейрон и каждый синапс в огромной базе данных фотографий. И однажды суперкомпьютер с искусственным интеллектом проанализирует все эти изображения без участия людей и объединит их в коннектом. Я не знаю, но я надеюсь, что доживу до этого дня. Потому что определение полного коннектома человека станет одним из величайших технологических достижений всех времен, которое увенчает успехом работу многих поколений. В настоящее время я и мои коллеги, мы ставим перед собой более скромную цель – мы лишь ищем частичные коннектомы небольших участков мышиного и человеческого мозга. Однако, этого будет достаточно для первичной проверки нашей гипотезы, что я – это мой коннектом. Пока же позвольте мне убедить вас в правдоподобии этой теории, в том что её нужно воспринимать серьезно.

В детстве пока вы растете, и во взрослом возрасте, когда вы стареете, ваша индивидуальность медленно меняется. Так же и каждый коннектом меняется со временем. Какие же изменения происходят? Нейроны, словно деревья, могут отращивать новые ветви и терять старые. Синапсы могут создаваться и уничтожаться. Также синапсы могут увеличиваться и могут уменьшаться. Второй вопрос: что приводит к этим изменениям? Вообще-то это правда, в какой-то степени, эти изменения закодированы в ДНК. Но это ещё не вся история, потому что есть сигналы, электрические сигналы, путешествующие вдоль ветвей нейронов, и есть химические сигналы, перепрыгивающие от ветви к ветви. Эти сигналы называются нервной деятельностью. Есть много свидетельств, что нервная деятельность программирует наши мысли, чувства и восприятие, наш ментальный опыт. Также есть много свидетельств, что нервная деятельность может быть причиной изменения соединений. Если вы сложите вместе два этих факта, это будет значить, что ваши переживания и опыт могут изменить ваш коннектом. Вот почему каждый коннектом уникален даже у генетически идентичных близнецов. Коннектом — это то место, где природа встречается с воспитанием. Также может быть правдой то, что даже простая мысль может изменить ваш коннектом – эту идею многие могут посчитать вдохновляющей.

Читайте также:  Активация шишковидной железы и сигнатурной клетки

Что здесь изображено? Холодный и освежающий поток воды, скажете вы. Что еще на этой фотографии? Не забудьте про канавку в земле, называемую ложем ручья. Без него вода не знала бы, куда ей течь. Этот ручей — моя метафора для определения зависимости между нервной деятельностью и связями. Нервная деятельность все время меняется. Она словно вода в ручье — никогда не остается спокойной. Связи в мозговой нервной сети определяют путь, вдоль которого течет нервная деятельность. Поэтому коннектом словно ложе ручья. Но моя метафора даже шире, потому что это правда, что дно ручья направляет поток воды, но в течение более продолжительного времени, вода в свою очередь изменяет форму дна. Как я только что сказал, нервная деятельность может изменить коннектом. И если вы мне позволите подняться до метафорических высот, я вам напомню, что нервная деятельность — это физическая основа – многие неврологи так думают – ваших мыслей, чувств и ощущений. Мы даже можем говорить о потоке сознания. Нервная деятельность – это его вода, а коннектом это его русло.

Давайте вернемся с поэтических высот к науке. Предположим, что наши технологии для нахождения коннектомов действительно работают. Как же мы протестируем нашу гипотезу «Я – мой коннектом»? Я предлагаю прямой тест. Давайте попробуем считать воспоминания из коннектомов. Считайте это памятью о продолжительных последовательностях движений, словно пианист играет сонату Бетховена. Согласно теории, которая датируется 19 веком, такие воспоминания хранятся как цепочки синаптических связей внутри вашего мозга. Все потому, что если активировать первые нейроны цепи, через свои синапсы они сигналят вторым нейронам, и те тоже активируются, и так далее по цепочке, словно падающее домино. И эта последовательность нервной активации гипотетически является нервной основой для той последовательности движений.

Поэтому один из способов протестировать теорию — это найти такие цепочки внутри коннектомов. Но это будет нелегко, потому что они не будут выглядеть именно так. Они будут перемешаны. Поэтому мы должны использовать компьютеры, чтобы расшифровать цепь. И если мы сможем это сделать, последовательность нейронов, получившаяся в результате, будет предсказанием картины нервной активности, которая проигрывается в мозгу во время воспоминания. А если нам повезет, это будет первым примером считывания памяти из коннектома.

Ну и беспорядок. Пробовали ли вы когда-нибудь подключить систему настолько сложную как эта? Надеюсь что нет. Но если да, вы знаете как легко ошибиться. Ветви нейронов словно провода в мозге. Кто-нибудь может угадать суммарную длину проводов вашего мозга? Я вам подскажу – это огромное число. Я оцениваю её в миллионы километров. И все это упаковано у вас в голове. И если вы вникли в это число, вам легко понять, что есть огромная вероятность неправильного подключения. И действительно, СМИ любят заголовки вроде: «Мозги анорексиков работают по-другому» или «Мозги аутистов подключены иначе». Это правдоподобные утверждения, но на деле, мы не можем видеть подключения в мозгах достаточно четко, чтобы сказать это наверняка. Поэтому технологии для изучения коннектомов позволят нам в конечном итоге прочесть ошибки подключения мозга, увидеть умственные заболевания в этих коннектомах.

Иногда лучший способ убедиться в правоте утверждения — это убедиться в правоте наиболее экстремального следствия. Философы хорошо знакомы с этой игрой. Если вы действительно верите, что я — это мой коннектом, я думаю, вы также должны принять идею, что смерть – это разрушение вашего коннектома. Я упомянул это, потому что есть провидцы, утверждающие, что есть технология, которая в корне изменит понимание, что значит быть человеком, и, возможно, даже изменит сам наш вид Человек Разумный. Одна из их самых лелеемых ими надежд — это обмануть смерть деятельностью, называемой «крионика». Если вы заплатите 100 000 долларов, то вас заморозят после того, как вы умрете, и будут хранить в жидком азоте в одном из этих резервуаров на складе в Аризоне в ожидании будущей цивилизации, развитой достаточно, чтобы оживить вас.

Должны ли мы высмеивать современных искателей бессмертия, называть их глупцами? Или они однажды будут хихикать над нашими могилами? Я не знаю. Я предпочитаю проверить их убеждения по-научному. Я предлагаю попытаться найти коннектом замороженного мозга. Мы знаем, что происходит повреждение мозга после смерти и во время заморозки. Вопрос такой: стерли ли эти повреждения коннектом? Если да, то никакая будущая цивилизация не сможет восстановить воспоминания этих замороженных мозгов. Воскрешение может произойти для тела, но не для разума. С другой стороны, если коннектом остался цел, мы не должны высмеивать утверждения крионистов.

Я описал то, что надо искать. Поиск начинается в мире очень маленьких вещей, но побуждает нас двигаться в мир далекого будущего. Коннектомы обозначат собой исторический момент в развитии цивилизации. Мы эволюционировали из наших обезьяноподобных предков африканской саванны, и то, что нас стало отличать, – это наши большие мозги. Мы использовали наши мозги, чтобы замыслить еще более удивительные технологии. В конце-концов эти технологии станут настолько сильными, что мы станем использовать их для самопознания, разбирая и собирая снова наши собственные мозги. Я думаю, что это путешествие к самопознанию и не только для ученых, но для всех. И я благодарен за сегодняшнюю возможность поделиться с вами своими мыслями.

Читайте также:
Adblock
detector