Нервные клетки не восстанавливаются?

с начале XX века самый выдающийся мировой специалист по нейроанатомии, лауреат Нобелевской премии Сантьяго Рамон-и-Кахаль, заложивший основы знаний о структуре нейронов, обратил свое внимание на одну из самых досаждающих ученым проблем в сфере анатомии человеческого мозга. Считалось, что в отличие от мозга простых животных, вроде ящерицы, мозг человека не способен регенерировать после повреждения. Подобная беспомощность типична далеко не для всех человеческих органов. Наша кожа при порезе может излечить сама себя, создавая новые кожные клетки; сломанные кости срастаются; печень и слизистая желудочно-кишечного тракта способны к самовосстановлению; утраченная кровь восполняется. Однако казалось, что мозг является досадным исключением.

Было известно, что по мере нашего старения умирают миллионы нейронов. Другие органы создавали новую ткань с помощью стволовых клеток, в мозге же таких клеток обнаружить не могли. Полагали, что по мере своего развития человеческий мозг стал таким сложным и специализированным органом, что утратил способность производить замещающие клетки. Кроме того, ученых интересовал вопрос, как новый нейрон может войти в сложную, уже существующую нейронную сеть и образовать тысячи синаптических связей, не вызвав хаос в этой сети? Предполагалось, что человеческий мозг представляет собой закрытую систему.

Рамон-и-Кахаль посвятил последние годы своей научной деятельности поискам хоть какого-нибудь признака того, что головной или спинной мозг способны к регенерации и реорганизации своей структуры. Все его попытки закончились неудачей.

с своей выдающейся работе, опубликованной в 1913 году, «Дегенерация и регенерация нервной системы» (Degeneration and Regeneration of Nervous System) он писал: «В [мозговых]

центрах взрослого человека нервные пути — это нечто фиксированное, конечное, неизменное. Все может умереть, ничего не может регенерировать. Только наука будущего изменит, если такое возможно, этот суровый приговор».

Так обстояли дела в то время.

…Или восстанавливаются?

пристально смотрю в микроскоп в самой современной лаборатории из всех, которые

ее когда-либо посещал, в Институте биологических исследований Солка в пригороде Сан-Диего, Калифорния, разглядывая живые человеческие нейрональные стволовые клетки в чашечке Петри. Я нахожусь в лаборатории Фредерика Гейджа. Он и Питер Эрикссон из Швеции обнаружили эти клетки в гиппокампе в 1998 году.

Нейрональные стволовые клетки, которые я рассматриваю, наполнены жизнью. Они называются «нейрональными» стволовыми клетками, потому что могут делиться и

дифференцироваться, чтобы стать нейронами либо глиальными клетками, поддерживающими выживание нейронов в мозге. Клеткам, на которые я смотрю, еще предстоит дифференцироваться в нейроны или глии и «специализироваться», поэтому они выглядят совершенно одинаковыми. То, чего стволовым клеткам не хватает в плане индивидуальных особенностей, они компенсируют бессмертием. Ведь стволовые клетки не обязательно специализируются, а могут продолжать делиться, производя свои точные копии,

16 это может происходить с ними бесконечно без малейших признаков старения. По той же причине стволовые клетки часто называют вечно юными, детскими клетками мозга. Процесс омоложения мозга называется «нейрогенезом» и продолжается до последнего дня нашей жизни.

История открытий

На нейрональные стволовые клетки долгое время не обращали внимания, отчасти из-за того, что их существование противоречило представлению о том, что мозг похож на сложный автоматический механизм, а машины не могут отращивать новые части. Когда в 1965 году Джозеф Альтман и Гопал Д. Дас из Массачусетского технологического института

обнаружили нейрональные стволовые клетки у крыс¹³⁶, к их работе отнеслись с большим сомнением.

Затем в 1980-х годах орнитолог Фернандо Ноттебом был поражен тем фактом, что каждый сезон певчие птицы поют новые песни. Он обследовал их мозг и обнаружил, что каждый год в течение того сезона, когда птицы поют больше всего, у них образуются новые клетки мозга в той его части, которая отвечает за разучивание песен. Вдохновленные открытием Ноттебома, ученые начали изучать животных, более близких к человеку. Элизабет Гулд из Принстонского университета первой обнаружила нейрональные стволовые клетки у приматов. Затем Эрикссон и Гейдж открыли гениальный способ помечать клетки мозга с помощью специального маркёра, называемого БДУ (бромдезоксиуридин), который проникает в нейроны только в момент их создания и светится под микроскопом. Эрикссон и Гейдж попросили у смертельно больных пациентов разрешения сделать им инъекцию молекул-маркёров. После того как эти люди умерли, Эрикссон и Гейдж исследовали их мозг

и обнаружили в их гиппокампе новые, недавно сформировавшиеся нейроны. Благодаря этим умирающим пациентам мы узнали, что живые нейроны формируются в нашем мозге до самого конца жизни.

Ученые продолжают искать нейрональные стволовые клетки в других частях человеческого мозга. К настоящему времени найдены активные нейрональные стволовые клетки в обонятельной луковице мозга (области, обрабатывающей запахи), а также дремлющие и неактивные клетки в перегородке (обрабатывающей эмоции), в полосатом теле (отвечающем за движения) и спинном мозге.

Гейдж и другие исследователи работают над разработкой методов лечения, которые позволят активировать дремлющие стволовые клетки с помощью лекарственных препаратов в случае повреждения области, в которой стволовые клетки «дремлют». Они также пытаются узнать, не существует ли возможности трансплантировать стволовые клетки в поврежденные участки мозга или вынудить их туда перемещаться.

Если хотите нарастить мозги… почаще бегайте в «беличьем» колесе

Команда Гейджа ищет способы повышения производства нейрональных стволовых клеток. Коллега Гейджа Герд Кемперманн в течение 45 дней выращивал стареющих мышей в стимулирующей среде, заполненной «мышиными игрушками» (мячи, трубы и «беличьи» колеса). Когда он умертвил подопытных мышей и исследовал их мозг, то обнаружил, что (в сравнении с мышами, выращенными в стандартных клетках) объем их гиппокампа увеличился на 15 %, а количество новых нейронов составило 40 тысяч, что также соответствует росту на 15 %.

Мыши живут примерно два года. Когда ученые тестировали старых мышей, которых во

^К Открытие нейрональных стволовых клеток у крыс имело очень большое значение, так как ДНК крыс (и мышей) на 90 % совпадает с ДНК человека.

второй половине жизни десять месяцев содержали в стимулирующей среде, то выявили пятикратное увеличение числа нейронов в их гиппокампе. Эти мыши лучше выполняли задания на обучение, поиск, движение и другие параметры оценки «ума», чем их сородичи, выращенные в нестимулирующих условиях. У старых «умных» мышей формировались новые нейроны, хотя и не так быстро, как у молодых. Это служило подтверждением того, что долговременная стимуляция оказывает огромное влияние на активизацию нейрогенезиса в стареющем мозге.

После этого ученые стали выяснять, какие действия вызывают рост числа нервных клеток у мышей, и выяснили, что существует два способа повысить общее количество нейронов в мозге: создание новых нервных клеток и продление жизни уже существующих.

Коллега Гейджа Генриетта ван Прааг доказала в опытах с мышами, что наиболее эффективным фактором, способствующим разрастанию, или пролиферации, новых нейронов, оказалось… «беличье» колесо. У мышей, которые в течение месяца бегали в этом колесе, число новых нейронов в гиппокампе удвоилось. На самом деле, говорит Гейдж, мыши в «беличьем» колесе не бегут: просто из-за слабого сопротивления колеса создается такое впечатление. В действительности, они быстро ходят.

Теория Гейджа заключается в том, что в естественной обстановке долговременное быстрое передвижение приводит животных в новую, незнакомую среду, для жизни в которой необходимо новое научение. Он называет это «предвосхищающей пролиферацией».

«Если бы наше жизненное пространство ограничивалось только этой комнатой, — говорит он мне, — и это был бы весь наш опыт, то нейрогенезис нам бы не понадобился. Мы бы знали все об этой среде и могли функционировать с помощью имеющихся у нас базовых знаний».

Итак, новая среда может приводить в действие нейрогенезис. Это согласуется с известной мыслью о том, что для поддержания мозга в хорошей форме мы должны изучать что-то новое, а не просто повторно использовать навыки, которыми уже овладели в совершенстве.

Однако, как мы отметили, существует второй способ повышения числа нейронов в гиппокампе: продление жизни уже существующих в нем нейронов. Изучая мышей, группа Гейджа обнаружила, что обучение использованию других игрушек, мячей и труб не приводит к появлению новых нейронов, однако позволяет удлинить жизнь нейронов соответствующей области.

Элизабет Гулд выяснила, что обучение, даже в нестимулирующей среде, повышает выживаемость стволовых клеток. Таким образом, физические упражнения и обучение действуют комплементарно: во-первых, они создают новые стволовые клетки, а во-вторых, продлевают им жизнь.

Учиться, учиться и учиться

Несмотря на огромное значение открытия нейрональных стволовых клеток, это всего лишь один из способов омоложения и совершенствования стареющего мозга. Как это ни парадоксально, но иногда потеря нейронов может привести к повышению функции мозга, как это бывает в случае масштабного «сокращения», происходящего в подростковом периоде, когда отмирают синаптические связи и нейроны, которые не подвергались интенсивному использованию, — что, возможно, является наиболее ярким примером действия принципа «не использовать — значит потерять». Продолжая снабжать неиспользуемые нейроны кровью, кислородом и энергией, организм просто расходует резервы впустую, а избавление от таких нейронов повышает сфокусированность и эффективность мозга.

Частичное сохранение процессов нейрогенезиса в пожилом возрасте вовсе не опровергает того факта, что в этот период жизни работа нашего мозга, как и других органов,

постепенно ухудшается. Но даже в середине этого ухудшения мозг претерпевает масштабную пластическую реорганизацию, которая, возможно, нацелена на приспособление к его потерям.

Исследователи Меллани Спрингер и Черил Грейди из Университета Торонто доказывают, что по мере старения наша когнитивная деятельность начинает происходить в иных отделах мозга, чем те, которые мы используем в молодости. Когда молодые испытуемые Спрингера и Грейди в возрасте от 14 до 30 лет выполняли разнообразные когнитивные тесты, то сканирование мозга показывало, что у них задействованы при этом, главным образом, височные доли.

19 испытуемых старше шестидесяти пяти лет наблюдался другой паттерн. Результаты сканирования мозга свидетельствовали о том, что они выполняют те же самые когнитивные задания, главным образом, с помощью лобных долей, и что, как и в первом случае, чем выше уровень их образования, тем активнее они их используют.

Этот сдвиг в рамках мозга служит еще одним свидетельством пластичности. Никто не знает, почему он происходит и почему многие исследования указывают на то, что более образованные люди лучше защищены от психического упадка. Наиболее популярная теория предполагает, что в годы обучения у нас создается «когнитивный резерв» — гораздо большее количество сетей, предназначенных для психической деятельности, — к которому мы обращаемся, когда работа нашего мозга начинает ухудшаться.

Во время нашего старения происходит еще одна крупная реорганизация мозга. Как мы уже видели, многие виды деятельности мозга условно разделены по функциям. Речь по большей части определяется функционированием левого полушария, а обработка зрительно-пространственных сигналов — функция преимущественно правого полушария. Такое разделение известно как «межполушарная асимметрия». Однако последние исследования, проведенные Роберто Кабеза и другими учеными из Университета Дьюка, свидетельствуют о том, что с возрастом подобная специализация отчасти утрачивается. Лобные виды деятельности, которые были связаны с работой одного полушария, теперь могут происходить в обоих. Хотя мы и не знаем точно причин этого явления, однако согласно одной из теорий по мере старения и снижения эффективности одного из полушариев другое компенсирует ухудшение его работы, т. е. мозг проводит самореструктуризацию под влиянием своих собственных недостатков.