Очень часто сторонники и противники крионики, обсуждая возможность будущего восстановления кропациентов, поражаются величине стоящей задачи. Иногда мы слышим: «Но ведь там СТОЛЬКО нейронов». И на слуху следующие мнения:
- 10 миллиардов нейронов,
- 150 миллиардов нейронов,
- 150 миллиардов всего клеток, не только нейронов.
А вот нейрофизиолог из Бразилии и Сюзана Херкулано-Хузель (Suzana Herculano-Houzel) из Федерального университета Рио-де-Жанейро решила их опять посчитать, но теперь по-новому.
Выполнить работу можно было бы стандартным методом: взять небольшой кусочек мозга и посчитать количество нейронов в нём, а потом увеличить результат пропорционально размерам целого мозга — исходя из того, что нейроны распределены более или менее равномерно. Но не факт, что это допущение верно. Поэтому исследовательница выбрала другой способ. Ученые ее группы взяли мозг целиком и осторожно растворили клеточные мембраны, получив смесь из разрушенных клеток, в котором плавали клеточные ядра. Соответственно, при некоторых условиях плотность ядер в любой порции этой смеси была уж точно одинакова. После чего было подсчитано число ядер нейронов, условно говоря, в чайной ложке полученной смеси. При этом, разумеется, не учитывались ядра служебных, глиальных клеток, не участвующих в проведении нервного сигнала.
Донорами мозга для эксперимента были четверо пожилых мужчин, которые были согласны с тем, что их органы будут использованы в науке. Возраст этих людей был от 50 до 71 года, при этом их летальный исход не был связан ни с одной невралгической болезнью, что важно, так как при некоторых подобных заболеваниях часть нейронов умирает при жизни человека.
Заявление Сюзаны вызвало очень много диспутов, поскольку почти во всех научных статьях, описывающих зеркальные нейроны мозга, указано, что их количество 100 миллиардов.
Конечно, с точки зрения крионистов, уничтожение мозга человека, даже для научных целей — недопустимо. Но, вероятно, доноры не знали о крионике или не понимали ее актуальности. Поэтому мы благодарны и им, и ученой, которая сделала важную работу по детализированию знаний о мозге. Постепенно их множества таких фактов соберется понимание того, как же именно нанороботы будущего станут ремонтировать мозг и криоклиентов: сколько клеток надо отремонтировать, сколько связей восставноить и что именно для этого надо сделать.
Нейроны или нервные клетки – это совокупность ведущих клеточных форм нервной ткани. Клетки формируют восприятие сигнала и его передачу другим нервным клеткам с помощью клеток-посредников (нейромедиаторов). Нейроны выделяются абсолютно разными размерами, формой, строением и функцией. Они занимают определенное место в проходимости нервных импульсов в осуществлении какого-либо рефлекса.
Вследствие этого специалисты выделяют:
- Чувствительные нейроны
- Двигательные нейроны
Деятельность нейронов схожа и с другими клетками и основывается на обеспечении и сохранении своих функций, приспособлении к изменяющимся условиям, а также с целью регулирования влияния на ближайшие клетки. Однако основная функция нейронов– это переработка полученной информации и впоследствии передача ее соседним клеткам.
В течение нескольких лет вопрос о том, какое количество нейронов содержится в головном мозге человека, был решен. Многие специалисты указывали, что их количество составляет около 100 миллиардов. Однако новые исследования одного из ученых – бразильского врача невролога Сюзанны Херкулано-Хоузес указывают на то, что их количество меньше.
Новые исследования: количество нейронов
Среди ученных, вопрос о количестве нейронов в головном мозге человека давно был решен. 100 миллиардов нервных клеток и это число было окончательным на протяжении долгого времени, и мало кто собирался его оспаривать, так как многие так и не знают, откуда взялась эта цифра. Новые исследования, которые решилась провести врач-невролог Херкулано-Хузель из-за отсутствия ответов на вопрос о количестве нейронов, показывают, что их на самом деле меньше.
Посчитать вручную количество нейронов в мозге, представляется невозможным, однако существует несколько научных способов провести данное исследование. Ранее был единственный способ их подсчета, но в недавнем времени исследователи выявили и второй способ.
- Первый способ (стандартный). В данном случае берется незначительная часть мозга и затем начинают подсчет количества нейронов, после, результат прямо пропорционально увеличивают в соответствии с размером целого мозга, основываясь на том, что нервные клетки распределяются в той или иной степени равномерно
- Второй способ. Новый способ проверки основывается на растворении клеточных ядер, при этом берется целый мозг, после растворения получается жидкая смесь из пораженных клеток, в которых и плавают клеточные ядра. После, специалисты производят подсчет этого числа ядер и указывают сколько клеток в мозге человека. В процесс подсчета не учитываются служебные и глиальные клетки.
Исследователи использовали мозг 4-х, ранее здоровых мужчин от 50 до 70 лет (мозг был добровольно завещан науке). Окончательный результат исследования показал, что на самом деле нейронов в головном мозге насчитывается около 85 млрд, а не 100. Стоит отметить, что эти 15 млрд клеток составляют 1/6 часть размера мозга здорового мужчины.
Однако размер мозга и степень его развития в большинстве своем не зависят друг от друга. Безусловно, количество нейронов влияет на развитость мозга, однако, ключевыми факторами являются:
- Организация нейронов
- Возможность соединения нервных клеток и число данных соединений
- Способность нервных клеток вступать во взаимосвязь друг с другом
Поэтому незначительное количество связей, полностью нивелируют показатели количества нейронов.
Полезные факты о мозге
Мозг – это один из самых сложных органов человеческого организма, поэтому будет полезным узнать несколько, довольно интересных фактов:
Как мы уже узнали, нейронов в мозге человека примерно 85 миллиардов. Если сравнивать это число с другими, то, например, у капибара (самый крупный вид грызунов) примерно 1,6 миллиардов, у мыши – 71 миллион, у таракана 1 миллион.
- Высокий интеллект не причина большого размера мозга.
Многие слышали такие высказывания, что чем больше голова, тем более умным является человек. Мы уже рассматривали, почему размер не является ключевым в развитости головного мозга, однако приведем некоторые примеры.
Например, мозг Эйнштейна весил всего 1230г, когда мозг здорового мужчины достигает и 2.000 грамм. Если взять слона – то его размер в 4-5 раз больше, но данное животное не выделяется какой-либо гениальностью.
Исследования мозга еще не продемонстрировали доказательства существенного влияния какого-либо элемента на интеллект. Однако как мы и говорили, ключевыми признаками развитости являются взаимосвязь нейронов, а не количество нейронов в мозгу человека.
- На сколько процентов задействуется мозг человека
Стоит отметить, что работа мозга отмечается постоянной, беспрерывной деятельностью. Довольно часто можно услышать, что мозг задействует 10% от максимальных своих возможностей, однако это миф. Человеческий мозг задействует все свои отделы, и они все находятся в практически постоянном, активном состоянии.
Один из исследователей, а именно нейробиолог — Барри Гордон приводит следующие опровергающие аргументы:
- Если бы мозг работал всего на 10% от своих возможностей, то люди с меньшим размером, но более производительным мозгом имели бы существенное преимущество в эволюции
- Исследования, проводимые с помощью функциональной МРТ, показывают, что даже во время сна, мозг испытывает некоторую активность. Отсутствие активности может быть продиагностировано только при тяжелом повреждении
- Мозг имеет различные отделы, каждый отдел из которых занимается выполнением своих определенных функций. Отделов, которые бы не работали, не обнаружены
- Клетки мозга, которые находятся в бездействии впоследствии отмирают. Из этого следует, что если бы остальные 90% мозга были неактивны, то при вскрытии можно было бы увидеть 90% отмирание мозга
Несколько способов обмануть ваш мозг
Данный способ был предложен еще в далеких 1930-ых годах. Для начала эксперимента следует настроить радио на помехи, лечь на кровать и приклеить к глазам разрезанные пополам половинки шариков от настольного тенниса. Уже в течение 1 минуты человек будет испытывать абсолютно различные галлюцинации, в некоторых случаях, даже слышать голоса умерших.
- Снижение болевого синдрома
По множествам отзывам можно услышать, что уменьшение боли происходит, если посмотреть на поврежденный участок через перевернутый бинокль. Исследования, проводимые в университете Оксфорда, подтверждают данную манипуляцию. Поэтому можно точно сказать, что степень болевого синдрома также зависит и от нашего видения.
Данный эффект назван в честь знаменитого ученого – основателя нейронауки, Яна Пуркинье. Еще в детском возрасте, юный ученый обнаружил довольно специфическую галлюцинацию. Для начала эксперимента необходимо закрыть глаза, и смотреть на солнце, в это время начинайте ладонями как бы открывать и закрывать глаза.
Необходимо взять 2 стульчика и повязку, которая будет закрывать глаза. Человеку надевают повязку и усаживают сразу за впереди сидящим. После этого человек с повязкой на глазах кладет руку на нос человека, который сидит впереди него.
В это же время, другой рукой касается своего носа и начинает легкими движениями гладить оба носа. После 1 минуты, около половины с завязанными глазами рассказывают о том, что их нос удлиняется.
Поднимите ногу чуть выше от пола и начните совершать двигательные действия в правую сторону. Во время этих движений, начните пальцем руки рисовать цифру 6. Удивительным образом ваша нога начнет двигаться уже в другую сторону (как цифра 6), а изменить движение на первоначальное, представится практически невозможным.
Это происходит по той причине, что левая часть мозга, которая отвечает за синхронность движений, не может регулировать работу двух противоположных действий в один и тот же временной промежуток.
15 февраля 2019
- 1485
- 1,3
- 3
Морфологическая реконструкция нейрона коры мозга человека. Внизу показаны подпороговые осцилляции трансмембранного потенциала нейрона в биофизической модели. На фоне показаны человеческие нейроны 2/3 слоя коры, окрашенные с помощью антител.
Довольно долго считалось, что базовые элементы нервной системы — нейроны — всех млекопитающих похожи друг на друга. Такую мысль высказывал, например, Сантьяго Рамон-и-Кахаль [1]. Нейрон получает входные сигналы от других нейронов за счет синапсов, которые расположены на дендритах и соме [2]. В результате меняется величина трансмембранного потенциала [3], и если она превышает порог, то нейрон генерирует потенциал действия, или спайк (от англ. spike — шип). После этого спайк распространяется по аксону и активирует другие нейроны, с которыми он связан с помощью синапсов. Несмотря на схожие свойства нейронов животных, ученые получают всё большее количество данных о том, что отдельные детали значительно различаются.
Мозги человека и других млекопитающих очень похожи. Именно это позволяет нам, изучая мозг других животных, узнать что-то о своем собственном. В частности, структура коры мозга, появившейся позже всего в течение эволюции, очень схожа у всех млекопитающих. Именно она отвечает за множество высших психических функций (восприятие, память, речь), которыми мы обладаем.
Но если кора у нас и мышек устроена одинаково, почему же мышки не играют на скрипке и не делают научные открытия, а люди на это способны хотя бы изредка? Иными словами, что делает нас особенными по сравнению с другими млекопитающими?
Довольно давно стало понятно, что это очень сложный вопрос, на который существует много разных ответов. Один из них наша научная группа пытается дать в Институте Аллена (Allen institute for brain science), изучая и сравнивая нейроны человека и мыши. Наша работа была недавно опубликована в международном журнале Neuron [4].
Известно, что объем мозга человека и площадь коры увеличивались в ходе эволюции очень быстро. За последние 75 миллионов лет площадь коры мозга человека стала больше примерно в 1000 раз по сравнению с общим предком мыши и человека. Поэтому нейроны человеческого мозга должны были адаптироваться к эволюционно быстрым изменениям его свойств.
Чтобы не сравнивать яблоки с апельсинами, мы рассмотрели свойства самых часто встречающихся нейронов коры — пирамидальных нейронов 2/3 слоя. Поскольку границу между вторым и третьим слоем анатомически сложно провести, нейроны этих слоев объединяют вместе как нейроны 2/3 слоя. Именно этот слой самый толстый в коре человека по сравнению с корой мыши. Нейроны именно этого слоя коры наиболее сильно изменились у человека по сравнению с другими млекопитающими. Ширина 2/3 слоя около одного миллиметра, и он толще других слоев примерно в 2–3 раза.
Изучая ответы отдельных нейронов в этом слое коры, мы обнаружили, что нейроны человека и мыши по-разному отвечают на электрические стимулы (рис. 1). Оказалось, что нейроны одного и того же 2/3 слоя коры у мыши и человека обладают различными резонансными частотами (рис. 1 в и г). Иными словами, при предъявлении стимула (ток, подаваемый в нейрон), нейроны человека и мыши по-разному на него отвечают. Нейроны человека обладают резонансами более высокой частоты, при этом частота этих резонансов зависит от глубины расположения нейронов в коре. Чем глубже эти нейроны в слое 2/3 у человека, тем выше их частота (рис. 1 в и г). При этом частота резонансов у мыши гораздо ниже и увеличивается медленнее при продвижении в глубину в слоя 2/3.
Рисунок 1. Нейроны человека и мыши обладают различными резонансными свойствами. а — Подпороговый ответ нейронов мыши 2/3 слоя коры в ответ на синусоидальный стимул с увеличивающейся амплитудой. Сверху показан ответ нейронов верхней части 2/3 слоя коры, снизу — ответ более глубоких нейронов того же слоя. Справа показан спектр частоты колебаний и электрический импеданс трансмембранного потенциала в ответ на синусоидальный стимул наверху и внизу слоя 2/3. б — То же самое для нейронов человека. в — Слева показана резонансная частота нейронов мыши 2/3 слоя в зависимости от глубины внутри этого слоя (резонансная частот соответствует пику в спектре на панели а справа). Справа показано отсечение спектра после трех децибел. г — тоже самое для нейронов человека. Результаты, относящиеся к нейронам мыши, показаны черным; к нейронам человека — красным.
Для того чтобы объяснить эти физиологические свойства нейронов человека, мы проанализировали биофизические свойства нейронов коры человека и мыши. Дело в том, что в генерации спайков, а также в поддержании трансмембранного потенциала участвует большое количество различных белков (преимущественно ионных каналов). Основными являются натриевые и калиевые каналы, но также существует большое количество других белков, которые изменяют свойства потенциала действия и синапсов. Так, одна из наших прежних работ посвящена изучению связи эпилепсии с гомеостазом ионов хлора в нейронах мозга [6].
Когда нейрон получает отрицательный синаптический вход от тормозных нейронов, это приводит к активации h-тока. Но после того как стимуляция исчезает, возникает кратковременная деполяризация мембраны нейрона, что часто приводит к генерации спайков. Иными словами, действие h-тока похоже на пружину, которую сначала сжимают (отрицательный вход), а потом резко отпускают (отсутствие стимуляции), после чего она распрямляется еще больше, чем в изначальном состоянии. Эти каналы есть не только в нейронах мозга: их также можно обнаружить в кардиомиоцитах сердца [7], где они помогают синхронизировать активность клеток во время сердечных сокращений.
Мы обнаружили, что в мембране человеческих нейронов 2/3 слоя есть особенно большое количество h-тока, анализируя ответы нейронов в ответ на электрические стимулы (рис. 1). Анализ мРНК из тех же нейронов подтвердил эти результаты и показал, что в клетках 2/3 слоя коры человека имеется гораздо большее количество фрагментов, кодирующих HCN1-каналы (подтип HCN-каналов). В нейронах коры мыши тоже имеется большое количество HCN1-каналов, но их не так много, как в нейронах человека (рис. 2). Более того, оказалось, что HCN1-каналов больше в каждом слое коры человека, а не только в слое 2/3. Чтобы понять, что значат эти данные в отношении отдельных клеток, мы совместно использовали электрофизиологию и математическое моделирование.
Рисунок 2. Оценка уровня экспрессии генов, кодирующих HCN-каналы, в нейронах человека (а) и мыши (б). Все данные получены на основании анализа мРНК, извлеченной из ядер отдельных нейронов разных слоев коры (L1–6 и тормозных нейронов всех слоев Inh). Результаты приведены в единицах RPKM (англ. Reads Per Kilobase Million — количество прочтений (гена HCN1) на один миллион пар оснований).
Чтобы построить модель нейронов человека, мы использовали реконструкцию отдельного нейрона 2/3 слоя коры. После этого проанализировали подпороговый ответ нейрона в ответ на стимуляцию. Затем смоделировали поведение нейрона с помощью уравнений Ходжкина—Хаксли и кабельных уравнений, подобрав параметры моделей генетическими алгоритмами . Проводимость h-тока подобрали таким образом, чтобы воспроизвести ответ отдельного нейрона на стимул с увеличивающейся частотой (рис. 3 а и б). Это позволило создать математическую модель, которая способна детально воспроизвести поведение отдельного нейрона.
Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. а — Стимуляция биологического нейрона и математической модели стимулом с увеличивающейся частотой с помощью электрического тока. б — Спектр колебаний трансмембранного потенциала в ответ на стимуляцию с панели а. Черным показан стимул, зеленым — ответ биологического нейрона 2/3 нейрона коры, красным — ответ модели со включенными h-каналами (Ih(+)), синим — ответ модели с выключенными h-каналами (Ih(−)).
Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. в — Трехмерная реконструкция нейрона коры слоя 2/3. Красными кругами показано положение глутаматных синапсов [9]. г — Задержка между активностью синапса на дендритном дереве и ответом на соме нейрона в зависимости от расстояния от синапса до сомы. Красным показан ответ модели в присутствии h-тока (Ih(+)), синим — когда h-ток отсутствует (Ih(−)). д — Спектр колебаний трансмембранного потенциала на соме в модели с h-током и без h-тока в ответ на стимуляцию с помощью 1000 синапсов. Черные линии наверху соответствуют различным диапазонам частот, средние величины которых достоверно отличаются, в частности в тета-диапазоне.
Используя эту модель, мы воспроизвели поведение нейрона, когда он находится в нейронной сети коры. Для этого мы стимулировали модель нейрона с помощью 1000 глутаматных синапсов [9], каждый из которых активировался случайно со средней частотой около 4 Гц (рис. 3д). Поскольку разряды нейронов в большой сети генерируются случайно или хаотически [10], их можно описывать с помощью случайных процессов.
В ответ на синаптическую стимуляцию происходят колебания мембранного потенциала нейрона. Чтобы понять свойства этих колебаний, мы проанализировали их частоту в модели с h-током и без него (рис. 3). Оказалось, что h-ток позволяет нейрону лучше проводить колебания в тета-диапазоне (4–10 Гц) от дендритов к соме. При этом сами колебания мембранного потенциала генерируются синапсами, расположенными на дендритном дереве (рис. 3). Также мы обнаружили, что скорость проведения сигнала от дендритов к соме увеличивается при наличии h-тока (рис. 3д). Это происходит за счет способности HCN-каналов делать мембрану нейронов чуть более возбудимой, что приводит к более быстрому проведению изменений потенциала от дендритов к соме.
Дело в том, что человеческие нейроны гораздо больше нейронов мыши. Объем мозга и размер нейронов быстро увеличивались в ходе эволюции млекопитающих. С одной стороны, большой нейрон может связаться с бóльшим числом других нейронов, что позволяет более эффективно проводить информацию в сети; с другой стороны, скорость обработки информации в больших нейронах меньше, чем в маленьких. Вероятно, большое количество h-тока было одной из эволюционных адаптаций, которые позволили поддерживать прежнюю скорость проведения потенциалов действия, несмотря на бóльший размер нейронов. Этот механизм может быть особенно важен для более глубоких слоев коры (рис. 1), поскольку нейроны 2/3 слоя должны получать информацию от нейронов первого слоя коры с такой же задержкой, как и нейроны верхнего слоя 2/3.
Сравнивая нейроны человека и других животных, мы надеемся постепенно понять, что именно делает мозг человека особенным. Возможно, разница между мозгом человека и мыши такая же, как между игровой приставкой и суперкомпьютером. Оба они построены на микропроцессорах, но суперкомпьютер обладает гораздо большей производительностью за счет более быстрых элементов и большего их количества. В ближайшем будущем мы планируем изучить свойства нейронов коры человека и мыши во всех слоях коры и в разных ее областях. Это поможет нам понять, что делает мозг человека особенным по сравнению с мозгом других млекопитающих [11]. С практической точки зрения это позволит разрабатывать более эффективные лекарства, которые будут лучше работать для нейронов человека за счет особенных свойств наших с вами ионных каналов.