Коннективность - что это такое?

Прежде всего отметим, что вся эта проблема связей в мозге сама связана с куда более давней проблемой локализации тех или иных мозговых функций. Был такой в прошлом австрийский врач Галль, который создал науку френологию. Грубо говоря, Галль утверждал, что все наши интеллектуальные и моральные дарования являются врожденными и зависят от внутренней организации мозга, каковой-де состоит из отдельных «органов», каждый из которых отвечает за определенную умственную способность, причем мера этой способности отражается в величине этого органа, внешним проявлением чего становятся различные шишки на поверхности черепа. Создатели Козьмы Пруткова не случайно назвали френологию «череповедением». В 1808 году французская Академия наук даже собралась на специальную сессию для серьезного обсуждения новой науки, да вот беда: Наполеон, узнав об этом, невероятно разъярился, потому что упомянутый Галль незадолго до того, ощупав череп императора, не нашел на нем шишек умственного превосходства. Наполеон был хитер и умен, он прямо так не сказал академикам. Он прибег, подобно многим политикам по сей день, к аргументам патриотического свойства, заявив, что не подобает французской науке плестись в хвосте какого-то австрияка, и френология была осуждена.

Она считается осужденной и сегодня, хотя на самом деле здравое зерно в ней было и современная наука о мозге вполне признает его модулярность, то есть наличие в нем определенных участков, где совершаются (в основном) те или иные функции. Да и как с этим спорить, если Брока еще в 19-м веке нашел участок, при повреждении которого человек теряет способность произносить слова, а Вернике затем нашел другой участок, при повреждении которого человек теряет способность эти слова понимать. А уж о наличии зрительных, обонятельных, слуховых и прочих «долей» в мозгу нечего и говорить. Другое дело, что в отличие от Галля современное понимание локализации (или модулярности) мозговых функций неразрывно связано с представлением об интеграции этих различных участков. Иначе говоря, выполнение той или иной функции не сосредоточено полностью в одном-единственном участке мозга, а сопряжено с взаимодействием многих, зачастую отдаленных участков. Хорошим тому примером могут служить те же участки Брока и Вернике, которые оказались соучаствующими в понимании слов. Еще более впечатляющим примером является недавно открытая дефолтная система мозга, которая включает целый ряд участков, одновременно возбуждающихся в те моменты, когда мозг не сосредоточен на решении какой-либо конкретной, специфической задачи. Поэтому сегодня под модулярностью мозга (или сегрегацией функций в нем) понимают локализацию в том или ином его участке не какой-то функции целиком, а лишь какой-то более или менее значительной части операций, необходимых для выполнения всей этой функции в целом.

Как же осуществляется интеграция работы таких участков? Иначе говоря, как они связаны? В научных разговорах о коннектомике речь идет о двух разного рода связях между отдельными участками мозга - анатомических (их еще называют структурными) и функциональных. Когда говорят об анатомических, или структурных связях, то имеют в виду все те виды нервных связей, которые чисто физически соединяют друг с другом соседние нейроны в любом участке мозга, а также разные участки самого мозга в целом. Связи между соседними нейронами устанавливаются через их дендриты. Так именуются короткие отростки, выходящие во все стороны из тела нервной клетки. Там, где дендриты соседних нейронов почти соприкасаются, возбуждение, возникшее в одном нейроне, передается другому, – это и есть их связь. Кроме того, в мозге есть также и более дальняя структурная связь, она осуществляется с помощью более длинных отростков нервных клеток - аксонов. Такой отросток у каждого нейрона один, и в отличие от дендрита он обмотан защитной оболочкой из белка миелина, за счет чего нервный сигнал по аксону распространяется со много большей скоростью, чем в дендритах, в дендритах такая скорость не нужна, потому что они коротки. (Кстати, именно эти обмотанные миелином аксоны составляют значительную часть того вещества мозга, которое называют «белым» в отличие от «серого вещества коры», состоящего в основном из самих нервных клеток с их дендритами.) Если данный участок мозга заведует какими-то функциями в теле, то аксоны устремляются из мозга в тело, другие же аксоны соединяют разные участки мозга, находящиеся на большом расстоянии друг от друга, и позволяют им взаимодействовать при выполнении какой-то функции (как в случае участков Брока и Вернике).

Современная картина таких анатомических связей неполна. Оно и понятно. Вскрыть все такие связи крайне трудно. Вот тому подтверждение. На недавней конференции по коннектомике Джеф Лихтман из Гарварда доложил об очередном успехе в этой области. Профессор Лихтман вместе с профессором Сэйнсом создали в 2007 году мощный метод визуализации отдельных нейронов с помощью такого их генетического изменения, после которого производимые этими нейронами сигналы начинают флюоресцировать разными цветами радуги, так что эти нейроны можно различить. Пользуясь этим методом (он называется Brainbow, то есть что-то вроде «Радуга в мозгу» или «Радужный мозг»), Лихтман сумел с помощью электронного микроскопа различить связи нейронов на тысячах тончайших срезов мозга мыши и в результате построить полную картину этих связей на участке размером 100 микрон. И даже эти 100 микрон потребовали нескольких лет работы! Но ведь мышиный мозг содержит всего 75 млн нейронов, а в человеческом мозгу их около 100 млрд.

Здесь уже количество переходит в качество, и поэтому многие специалисты вообще сомневаются в том, что проект «Коннектом» удастся реализовать. Эти скептики указывают и на другую трудность. Значительная часть связей в мозге (особенно дальних связей) осуществляется при участии наряду с нейронами также вспомогательных мозговых клеток (глии, или белого вещества мозга), для которых пока нет никаких методов картографирования. И наконец, говорят скептики, даже если такой полный атлас нейронных связей всего мозга и будет создан, он мало что даст для понимания работы живого мозга. Ведь в живом мозге комбинации контактирующих друг с другом нейронов непрерывно меняются. Сначала они меняются при переходе от эмбриона к ребенку, от ребенка к подростку и так далее. Но и в зрелом мозге вся система контактов не остается постоянной – она непрерывно меняется в зависимости от выполнения мозгом той или иной задачи.

В этих сомнениях есть резон, и не случайно усилия большинства нейробиологов все более сосредотачиваются в последние годы на изучении коннективности не на анатомическом уровне, а в масштабах мозга в целом, то есть на изучении функциональных связей между участками, коллективно выполняющими какую-то общую функцию. Ведущим способом такого изучения является сравнение скорости обмена веществ (метаболизма) в разных участках мозга при выполнении им той или иной функции. Ведь, выполняя такую работу, включенные в нее участки требуют больше энергии, чем участки бездействующие, а энергия в нейронах создается благодаря переработке глюкозы. Стало быть, изучая, в какие участки устремляется больше глюкозы (это показывает метод fMRI), можно понять, где сейчас сконцентрирована нейронная активность, проще говоря – можно увидеть «изображение» всех участков, работающих в данный момент. А это сразу же позволяет понять, какие участки связаны друг с другом выполнением общей функции. Иными словами, это дает картину тех функциональных связей в мозге, той его функциональной коннективности, которая интегрирует работу всех таких участков.

Такой подход оказался весьма плодотворным. Именно он позволил Маркусу Райхле и его коллегам из Вашингтонского университета в Сан-Луи (США) обнаружить, что в мозге в состоянии бодрствования имеется сеть функционально связанных друг с другом участков, которые возбуждены (то есть работают) даже тогда, когда мозг не работает, то есть не решает никакую конкретную специфическую задачу. Эта сеть (ее-то и назвали «дефолтная система мозга») включает анатомически разрозненные участки, одни из которых связаны с памятью, другие - с приемом и обработкой эмоциональной информации, третьи - с интеграцией эмоций и сознания, четвертые - с самосознанием и т. д. Все эти участки в состоянии такого «сна наяву» потребляют весьма заметное количество энергии, вполне сравнимое с энергией, потребляемой мозгом при решении конкретных задач (кстати, при решении конкретных задач возбуждаются иные участки мозга, которые в сумме образуют сети другого рода - «задаче-позитивные системы», свои для каждого вида задач). Назначение такой системы пока неясно. Ее работу связывают с творчеством, со свободным обдумыванием возможных будущих ситуаций и т. п., но уже имеются весьма надежные данные, указывающие на то, что нарушение коннективности в этой системе (то есть порча функциональных связей между ее участками) влечет за собой ряд тяжелых нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, Паркинсона и им подобные, возможно аутизм и шизофрению, а также посттравматический синдром). Более того, оказалось, что раннее обнаружение таких нарушений коннективности позволяет уловить начало той или иной болезни на такой ее стадии, когда она еще не улавливается клинически. Некоторые специалисты уже говорят, на этом основании о болезнях мозга, вызываемых нарушениями его коннективности.

Но и в здоровом мозге коннективность может быть различной, причем по самым разным причинам, и в последнее время появилось множество исследований, выясняющих эти причины. Исследования эти принесли очень любопытные ответы – порой важные, иногда забавные, но зачастую и сомнительные, что неудивительно, когда речь идет о модной области, куда многие устремляются в погоне за очередной сенсацией. Видимо, именно к такого рода исследованиям следует отнести недавно появившееся сообщение об открытии связи степени коннективности мозга с уровнем религиозности человека. Вспоминая прошлое, можно предположить, что скоро появятся и работы, доказывающие, что по характеру коннективности мозга того или иного человека можно судить о его политических взглядах или сексуальной ориентации. Однако другие исследования представляются комментаторам-специалистам вполне серьезными и содержательными. Такова, например, работа нейропсихолога Майка Коэна из Амстердамского университета, который изучал свойства памяти у разных людей и нашел, что лучшей памятью отличаются те люди, у которых сильнее связи (коннективность) между префронтальной областью коры (место, где сосредоточены механизмы временной, или рабочей памяти) и гиппокампусом (участок мозга, где образуется и хранится долговременная память).

Другой интересной работой того же рода является упомянутое в начале этой заметки сравнительное исследование коннективности мужского и женского мозга, проведенное группой профессора Верма и ее коллег из университета Пенсильвании. Они обнаружили, что в мужском мозге коннективность выше в направлении ото лба к затылку в одном и том же полушарии, тогда как в женскому мозге связи идут преимущественно между двумя полушариями, левым и правым. Это различие, по мнению авторов, ведет к тому, что в мужском мозге облегчается взаимодействие между сигналами органов чувств, приходящими в затылочную часть мозга (это в основном моторные сигналы) и координацией ответных действий (которой заведуют лобные доли), тогда как в женском мозге теснее связаны друг с другом аналитические и интуитивные способности (за которые отвечают разные полушария). Интересно, что эти различия не заметны у подростков до 13 лет и формируются у девушек уже к 17 годам, а у юношей несколько позже. Авторы объясняют этими различиями в коннективности такие известные особенности мужчин и женщин, как лучшая координация физических действий и пространственных умений у первых и лучшее запоминание лиц и слов и повышенная социализация у вторых.

Закончу на этом. Коннектомика развивается так быстро, что нас наверняка в ближайшем будущем ждут новые интересные открытия такого же рода. И несмотря на ее молодость как отдельной науки, ей уже посвящены как серьезные научные труды, так и многие научно-популярные книги. В этих последних, кстати, как правило, проводится напрашивающаяся параллель между коннектомикой и геномикой и провозглашается, что подобно тому, как геномика объяснила механизмы человеческого тела, так коннектомика вот-вот объяснит нам все загадки человеческой психики и ума. И то и другое, разумеется, весьма преждевременные надежды. Но есть, мне кажется, нечто и впрямь сходное и своевременное в тех уроках, которые уже преподали нам обе эти науки. Еще недавно даже специалисты считали, что чем сложнее организм, тем больше в нем должно быть генов, и многие были удивлены и разочарованы, когда выяснилось, что у человека их всего 25 тысяч. А затем оказалось, что сложность обеспечивается не числом генов, а числом возможных комбинаций их регулировки. И точно так же еще недавно считалось, что чем больше мозг, тем человек умнее. А вот сейчас коннектомика показала нам, что главным, что определяет работу мозга, является не его объем, а характер и качество его связей. Это на первый взгляд - внешнее сходство, но мне почему-то сдается, что в нем содержится какой-то поучительный урок, выходящий за рамки чистой науки.

Рафаил Нудельман
"Окна", 24.07.14

***************************************************************************

Рано пташечка запела

Есть предмет для огорчения: новые данные, полученные при наблюдении отдаленных галактик, расходятся с оптимистическими прогнозами астрономов, охотящихся за обитаемыми планетами.

Начнем с прогнозов. На последней сессии американского Астрономического союза было доложено, что после тщательной проверки всех кандидатов во внесолнечные планеты, обнаруженных космическим телескопом «Кеплер», ученые пришли к выводу, что 17% звезд в нашей галактике (Млечный Путь) могут иметь планеты размером до 1,25 земного шара. Это означает, что в одной лишь нашей галактике таких планет может быть порядка 17 миллиардов. Трудно даже представить себе, сколько их может быть в доступной для наблюдения части космоса. Можно понять некоторых участников сессии, которые с энтузиазмом говорили о том, насколько эти цифры увеличивают вероятность существования жизни (возможно, и разумной) в космосе.

Тут, однако, сразу приходится охладить воображение. Вероятность существования жизни в космосе зависит не только от числа землеподобных планет. Уже давным-давно было показано, что для появления жизни, подобной нашей, необходим еще целый ряд весьма жестких физико-химических условий, нарушение каждого из которых чревато невозможностью зарождения и существования жизни в данном участке вселенной. И если условия в разных участках вселенной различны, то вполне возможно, что в некоторых из них жизнь не сможет существовать даже при наличии подходящих для этого планет (а может быть, и сами такие планеты не могут там существовать). Это утверждение получило в науке название «антропный принцип». Его чаще формулируют в позитивной форме, говоря, что жизнь в нашем участке вселенной существует лишь потому, что здесь реализовались необходимые для этого условия.

Какие же это условия, интересно? Оказывается, их довольно много, начиная от трехмерности пространства и кончая очень точно подогнанными числовыми значениями некоторых атомных параметров. Вот одно из этих условий, от которого зависит появление в данном участке вселенной углерода и кислорода, этих неотъемлемых слагаемых земной жизни. Его открыл в 1950-х годах известный астрофизик Фред Хойл. Он рассмотрел процесс образования углерода в космосе. На первых порах в космосе есть только водород и гелий, поэтому более тяжелые элементы, в том числе углерод и кислород, могут возникнуть только в результате термоядерной реакции, идущей в недрах массивных звезд. И вот Хойл показал, как это происходит.

Первым возникает углерод путем двухступенчатой реакции: сначала два ядра гелия-4 сливаются в ядро бериллия-8, а потом оно сливается еще с одним ядром гелия в ядро углерода-12. Почему такая сложность? Потому что вероятность встречи сразу трех ядер гелия ничтожно мала. Даже и эти две реакции (сначала бериллий, а потом углерод) возможны лишь потому, что энергия ядра бериллия почти равна сумме энергий двух ядер гелия, а сумма энергий ядер бериллия и гелия почти равна энергии возбужденного ядра углерода. Только эти близости, или «резонанс Хойла», делают возможным появление в космосе достаточного количества углерода. И оказалось, что будь эти суммы энергий хотя бы на несколько тысячных долей иными, не было бы резонансов и не было бы углерода, а за ним – и кислорода.

Вот теперь уже можно вернуться к упомянутым в начале заметки новым открытиям, противоречащим оптимизму астрономов-энтузиастов. В числе параметров, численная величина которых существенно влияет на возможность возникновения жизни, есть постоянная тонкой структуры - фундаментальный физический параметр, который характеризует, грубо говоря, силы взаимодействия между светом (фотонами) и веществом (электрическими зарядами). В последние годы некоторые группы астрономов, изучая свет, идущий от дальнего квазара (массивной протогалактики с гигантской черной дырой в центре), обнаружили, что спектр этого света таков, как если бы постоянная тонкой структуры в той части космоса была несколько иной, чем в наших окрестностях. Затем аналогичные результаты были получены в результате исследования с помощью мощных телескопов трехсот с лишним отдаленных галактик, подобных нашей. И тут оказалось, что численное значение альфы (так называют постоянную тонкой структуры в физике) и в этих галактиках отличается от ее численного значения в нашем Млечном Пути. Отличия эти ничтожны, порядка одной стотысячной, но, как мы только что видели выше, даже отличия в тысячных долях могут оказаться катастрофическими для возможности существования жизни, если эти отличия не в ее пользу.

Интересно, что, расположив изученные галактики на карте космоса, астрономы выявили неожиданную закономерность: по мере удаления от Млечного Пути в одну сторону альфа растет, по мере удаления в другую – падает. Наша галактика находится где-то посредине, в таком месте, где значение альфы таково, что позволяет возникнуть тяжелым элементам, то есть в принципе и жизни. Отсюда следует довольно тяжелый для оптимистов вывод: в тех галактиках, что дальше или ближе нас по этой странной оси, условия для возникновения жизни неблагоприятны, даже если там есть подходящие для этого планеты.

Впрочем, все меняется даже в астрономии, так что, глядишь, кто-то еще докажет, что эти данные были ошибочны. Или что и с такой альфой можно выжить. Всякое бывает. Поживем – увидим.

Михаил Вартбург
"Окна", 24.07.14