Десятилетия дискуссий, давно вошедшие в обиход поговорки, эксперименты на мышах и овцах — но все-таки может ли мозг взрослого человека образовывать новые нейроны взамен утраченных? И если может, то как? А если не может — почему?
Порезанный палец заживет за несколько дней, сломанная кость срастется. Мириады эритроцитов сменяют друг друга короткоживущими поколениями, растут под нагрузкой мышцы: наш организм обновляется постоянно. Долгое время считалось, что на этом празднике перерождения остается один аутсайдер — головной мозг. Его важнейшие клетки, нейроны, слишком высокоспециализированны, чтобы делиться. Количество нейронов падает год от года, и хотя они так многочисленны, что потеря нескольких тысяч штук не оказывает заметного влияния, способность восстанавливаться после повреждений не помешала бы и мозгу. Однако ученым долго не удавалось обнаружить присутствия новых нейронов в зрелом мозге. Впрочем, не было и достаточно тонких инструментов, позволяющих найти такие клетки и их «родителей».
Ситуация поменялась, когда в 1977 году Майкл Каплан и Джеймс Хиндс использовали радиоактивный [3H]-тимидин, способный встраиваться в новую ДНК. Ее цепочки активно синтезируют делящиеся клетки, удваивая свой генетический материал и заодно накапливая радиоактивные метки. Месяц спустя после введения препарата взрослым крысам ученые получали срезы их головного мозга. Авторадиография показала, что метки находятся в клетках зубчатой извилины гиппокампа. Все-таки они размножаются, и «взрослый нейрогенез» существует.
О людях и мышах
В ходе этого процесса зрелые нейроны не делятся, как не делятся и клетки мышечных волокон, и эритроциты: за их образование отвечают различные стволовые клетки, сохраняющие «наивную» способность размножаться. Один из потомков разделившейся клетки-предшественника становится молодой специализированной клеткой и дозревает до полнофункционального взрослого состояния. Другая дочерняя клетка остается стволовой: это позволяет поддерживать популяцию клеток-предшественников на постоянном уровне, не жертвуя обновлением окружающей их ткани.
Первые исследования нейрогенеза были проведены на плоских червях-планариях, а первыми позвоночными моделями стали аксолотли. Сегодня эксперименты проходят чаще всего с рыбками данио и лабораторными грызунами.
Клетки-предшественницы нейронов нашлись в зубчатой извилине гиппокампа. Позже их обнаружили и в других частях головного мозга грызунов, в обонятельной луковице и подкорковой структуре стриатума. Отсюда молодые нейроны могут мигрировать в нужную область мозга, уже на месте дозревать и встраиваться в существующие системы связей. Для этого новая клетка доказывает соседям свою полезность: ее способность к возбуждению повышена, так что даже слабое воздействие заставляет нейрон выдавать целый залп электрических импульсов. Чем активнее клетка, тем больше связей она образует с соседями и тем быстрее стабилизируются эти связи.
Взрослый нейрогенез у людей удалось подтвердить лишь пару десятилетий спустя с помощью сходных радиоактивных нуклеотидов — в той же зубчатой извилине гиппокампа, а затем и в стриатуме. Обонятельная луковица у нас, по всей видимости, не обновляется. Однако насколько активно проходит этот процесс и как он меняется во времени, точно не ясно и сегодня.
Например, исследование 2013 года показало, что до глубокой старости каждый год обновляется примерно 1,75% клеток зубчатой извилины гиппокампа. А в 2018-м появились результаты, согласно которым образование нейронов здесь прекращается уже в подростковом возрасте. В первом случае измерялось накопление радиоактивных меток, а во втором использовались красители, избирательно связывающиеся с молодыми нейронами. Сложно сказать, какие выводы ближе к истине: трудно сопоставить редкие результаты, полученные совершенно разными методами, а тем более экстраполировать на человека работы, выполненные на мышах.
Проблемы моделей
Большинство исследований взрослого нейрогенеза проводят на лабораторных животных, которые быстро размножаются и просты в содержании. Такое сочетание признаков встречается у тех, кто имеет небольшие размеры и живет совсем недолго, — у мышей и крыс. Но в нашем мозге, который лишь заканчивает созревание к 20 годам, все может происходить совершенно иначе.
Зубчатая извилина гиппокампа — это часть коры головного мозга, хотя и примитивная. У нашего вида, как и у других долгоживущих млекопитающих, кора развита заметно сильнее, чем у грызунов. Возможно, нейрогенез охватывает весь ее объем, реализуясь по какому-нибудь собственному механизму. Прямых подтверждений этому пока нет: исследования взрослого нейрогенеза в коре больших полушарий не выполнялись ни на людях, ни на других приматах.
Зато проведены такие работы с копытными. Изучение срезов мозга новорожденных ягнят, а также овец чуть постарше и половозрелых особей не нашло делящихся клеток — предшественников нейронов в коре больших полушарий и подкорковых структурах их мозга. С другой стороны, в коре животных даже старшего возраста обнаружились уже родившиеся, но недозревшие молодые нейроны. Скорее всего, они готовы в нужный момент завершить специализацию, образовав полноценные нервные клетки и заняв место погибших. Конечно, это не совсем нейрогенез, ведь новых клеток при таком процессе не образуется. Однако интересно, что такие молодые нейроны присутствуют в тех областях мозга овец, которые у человека отвечают за мышление (кора больших полушарий), интеграцию сенсорных сигналов и сознание (клауструм), эмоции (миндалевидное тело). Велика вероятность, что и у нас в аналогичных структурах найдутся незрелые нервные клетки. Но зачем они могут понадобиться взрослому, уже обученному и опытному мозгу?
Задачи выживания Нервной клетке мало просто родиться — ей предстоит выжить и приобрести функциональность зрелых нейронов. А умирают они чаще, чем можно подумать: почти половина клеток гиппокампа, возникших в ходе взрослого нейрогенеза у крыс, погибает в течение месяца после появления. У мышей потери достигают 75% - зато тем, кто продержался этот срок, смерть больше не угрожает, и к концу его новые нейроны уже полностью включаются в работу. У макак с их более крупным мозгом созревание новых нейронов и их встраивание в структуры для обработки данных занимает куда больше времени, около полугода.
Гипотеза о памяти
Число нейронов так велико, что частью из них можно безболезненно пожертвовать. Однако, если клетка выключилась из рабочих процессов, это еще не значит, что она умерла. Нейрон может перестать генерировать сигналы и реагировать на внешние стимулы. Накопленная им информация не пропадает, а «консервируется». Этот феномен позволил Кэрол Барнс, нейрофизиологу из Аризонского университета, выдвинуть экстравагантное предположение о том, что именно так мозг накапливает и разделяет воспоминания о различных периодах жизни. По мнению профессора Барнс, время от времени в зубчатой извилине гиппокампа появляется группа молодых нейронов для записи нового опыта. Через некоторое время — недели, месяцы, а может, и годы — все они переходят в состояние покоя и сигналов больше не подают. Именно поэтому память (за редчайшими исключениями) не сохраняет ничего, что происходило с нами до третьего года жизни: доступ к этим данным в какой-то момент оказывается заблокирован.
Учитывая, что зубчатая извилина, как и гиппокамп в целом, отвечает за перенос информации из кратковременной памяти в долговременную, такая гипотеза выглядит даже логичной. Однако требуется еще доказать, что гиппокамп взрослых людей действительно образует новые нейроны, причем в достаточно большом количестве. Для проведения экспериментов имеется лишь весьма ограниченный набор возможностей.
История со стрессом
Обычно препараты человеческого мозга получают во время вскрытия или нейрохирургических операций, как при височной эпилепсии, припадки которой не поддаются медикаментозному лечению. Оба варианта не позволяют проследить, как интенсивность взрослого нейрогенеза влияет на работу мозга и поведение.
Такие эксперименты проводились на грызунах: образование новых нейронов подавлялось направленным гамма-излучением или выключением соответствующих генов. Это воздействие повышало склонность животных к депрессии. Неспособные к нейрогенезу мыши почти не радовались подслащенной воде и быстро оставляли попытки держаться на плаву в заполненной водой емкости. Содержание в их крови кортизола — гормона стресса — оказывалось даже выше, чем у мышей, стрессированных обычными методами. Они были более склонны впадать в зависимость от кокаина и хуже восстанавливались после инсульта.
К этим результатам стоит сделать одно важное замечание: возможно, что показанная связь «меньше новых нейронов — острее реакция на стресс» замыкается сама на себя. Неприятные события жизни снижают интенсивность взрослого нейрогенеза, из-за чего животное становится чувствительнее к стрессам, поэтому скорость образования нейронов в мозге падает — и так далее по кругу.
Бизнес на нервах
Несмотря на отсутствие точных сведений о взрослом нейрогенезе, уже появились бизнесмены, готовые построить на нем доходное дело. Еще с начала 2010-х компания, продающая воду из родников Канадских Скалистых гор, выпускает бутылки Neurogenesis Happy Water. Утверждается, что напиток стимулирует образование нейронов за счет содержащихся в нем солей лития. Литий в самом деле считается полезным для мозга препаратом, хотя в таблетках его куда больше, нежели в «счастливой воде». Действие чудо-напитка проверили нейробиологи из Университета Британской Колумбии. 16 дней они поили крыс «счастливой водой», а контрольную группу — простой, из-под крана, а потом рассмотрели срезы зубчатых извилин их гиппокампа. И хотя у грызунов, пивших Neurogenesis Happy Water, новых нейронов появилось на целых 12% больше, их общее число оказалось невелико и говорить о статистически достоверном преимуществе нельзя.
Пока мы можем лишь констатировать, что взрослый нейрогенез в головном мозге представителей нашего вида однозначно существует. Возможно, он продолжается до глубокой старости, а может, только до подросткового возраста. На самом деле это не так важно. Интереснее то, что рождение нервных клеток в зрелом мозге человека вообще происходит: от кожи или от кишечника, обновление которых идет постоянно и интенсивно, главный орган нашего тела отличается количественно, но не качественно. И когда сведения о взрослом нейрогенезе сложатся в цельную детальную картину, мы поймем, как перевести это количество в качество, заставив мозг «ремонтироваться», восстанавливать работу памяти, эмоций — всего того, что мы зовем своей жизнью.