Мозг. Такой ли он особенный?

Херкулано-Хузел Сюзана

Мозг человека особенный – и во многих отношениях

Не стоит заострять внимание на том, что коэффициент энцефализации оказался не самым лучшим коррелятом когнитивных способностей среди животных, не принадлежащих виду Homosapiens. Для многих специалистов и для большинства неспециалистов запись «самый большой мозг для своего тела» остается в верхней строке списка «признаков, делающих человеческий мозг особенным». В конце концов, если более крупные животные обладают более крупным мозгом, а гориллы почти в три раза больше нас по размерам тела, то, значит, их мозг должен быть в три раза больше нашего, но почему-то это наш мозг в три раза больше, чем у гориллы. Джерисон привнес в этот вопрос ясность: человеческий мозг чрезвычайно большой для тела, в котором он находится.

Этого мало? Примем в расчет энергию, которую потребляет человеческий мозг, – около 500 килокалорий в сутки. Это почти 25 % той энергии, которую потребляет весь наш организм, – это совершенно непропорциональный расход, если учесть, что мозг по массе составляет всего 2 % от массы человеческого тела. Для сравнения: мозг мыши (который по массе составляет всего 1 % массы тела) стоит мыши всего 8 % всей потребляемой энергии [27] .

Человеческий мозг очень дорог.

Список отличительных черт человеческого мозга продолжает расти по мере того, как все больше и больше ученых в разных областях науки присоединяются к поиску того, что лежит в основе наших замечательных умственных способностей. «Нейроны фон Экономо» были сначала обнаружены в передней поясной коре человеческого мозга, в области, осуществляющей когнитивный и эмоциональный контроль поведения; кроме того, эти нейроны были найдены у высших обезьян, но они отсутствуют у остальных приматов и других млекопитающих [28] . «Нейроны фон Экономо» были очень скоро объявлены главным отличительным признаком человеческого мозга; их даже – правда, осторожно – связали с сознанием [29] . Но, когда были проведены более обширные исследования, выяснилось, что эти нейроны есть и у других приматов [30] , и, на самом деле, они есть у животных с мозгом большим и меньшим, чем у человека [31] .

27

Mink, Blumenschine, and Adams, 1981.

28

Nimchinsky et al., 1999.

29

Williams, 2012.

30

Evrard, Forro, and Logothetis, 2012.

31

Butti et al., 2009.

Особенности человеческого мозга не ограничиваются его нейронами. В 2009 году Нэнси Энн Обергейм и ее коллеги обнаружили, что человеческие астроциты, глиальные клетки, играющие важную роль в синаптической передаче информации между нейронами, намного крупнее астроцитов других приматов и грызунов, а это означает, что наши астроциты должны поддерживать функцию большего числа синапсов, чем астроциты других видов животных [32] . Возможно, что вся причина отличий кроется просто в размере мозга; Обергейм и ее коллеги не исследовали мозги более крупные, чем у человека, и, возможно, окажется, что астроциты слона еще больше наших. Тем не менее человеческие астроциты, похоже, «лучше», чем астроциты грызунов; когда клетки-предшественники человеческих астроцитов пересаживали в развивающийся мозг мышей, они (клетки) развивались в человеческие, крупные, астроциты, и такие мыши демонстрировали высокую способность к быстрому обучению [33] .

32

Oberheim et al., 2009.

33

Han et al., 2013.

На более высоком уровне организации, где нейроны объединяются в сети, человеческий мозг тоже отличается от мозга вторых по успешности участников гонки, с которыми часто сравнивают мозг человека, – от мозга шимпанзе. Например, «нейропиль», фракция мозговой коры, объединенная синаптическими связями, у человека больше, чем у шимпанзе [34] , хотя, быть может, это обусловлено всего лишь большими размерами человеческого мозга, и дело здесь вовсе не в нашей особенности. Некоторые ученые сообщают о специфических для человека участках головного мозга и сетях, которые отсутствуют в мозге низших обезьян [35] , хотя другие исследователи с этим не соглашаются [36] . С другой стороны, мозг таких далеко отстоящих друг от друга видов, как люди, обезьяны, кошки и даже голуби, организован очень сходно в виде локальных сетей с похожими узлами, где осуществляется сбор и распределение поступающих сигналов, – такими узлами являются, например, префронтальная кора и гиппокамп [37] .

34

Spocter et al., 2012.

35

Mantini et al., 2013.

36

Sallet et al., 2013.

37

Shanahan et al., 2013.

Совсем недавно основное внимание ученых было обращено на наш генетический набор, и эти исследования породили длинный и продолжающий расти список генов, специфичных для человека, то есть генов, которых нет у нашего ближайшего родственника шимпанзе. Ученые надеются, что в этих генах скрывается секрет нашей уникальности. В список входят гены, контролирующие размер головного мозга [38] , образование синапсов [39] , развитие речи [40] , клеточный метаболизм [41] , а также такие человеческие морфологические признаки, как форма кисти и положение большого пальца [42] .

38

Evans et al., 2004; Dumas et al., 2012.

39

Dennis et al., 2012; Charrier et al., 2012.

40

Enard et al., 2009.

41

Somel, Xiling, and Khaitovich, 2013.

42

Prabhakar et al., 2008.

Однако

в 2003 году, когда я заинтересовалась разнообразием строения головного мозга и его эволюцией и, в частности, сравнением человеческого мозга с мозгом других видов, я поняла, что, несмотря на огромное число сложных данных о генах, функциональных областях и индивидуальных типах клеток, мы все же не понимаем главного: из чего состоит мозг – сколько в нем нейронов, как много глиальных клеток в каждой мозговой структуре. Мы не имели представления о том, каково число нейронов, обрабатывающих информацию, в единице объема человеческого мозга, в сравнении с мозгом других видов. Если оставить в стороне генетические и клеточные частности, то, может быть, наши непревзойденные, замечательные когнитивные особенности определяются замечательным числом нейронов?

2. Мозговой суп

Таким было положение вещей, когда я заинтересовалась, из чего состоит головной мозг и чем замечателен человеческий мозг в сравнении с другими: оказалось, что никто не занимался такими сравнениями. Дело в том, что при таком впечатляющем списке необычностей мы, конечно, были особенными.

Меня, молодого биолога, такая ситуация сильно удручала. Удручало то, что многие мои коллеги-неврологи принимали утверждение о человеческой уникальности без рассуждений, не пытаясь даже его как-то обосновать. Со времен Дарвина мы стремимся понять правила, приложимые ко всем живым существам, понять ограничения, которым подвержена любая живая материя. Мы осознали, что за фасадом разнообразия всех млекопитающих стоит основной, наследуемый набор генов, который это многообразие ограничивает: яблоко не может упасть далеко от яблони. Но если эти эволюционные ограничения накладываются и на людей, то как смог человеческий мозг, он один, быть одновременно таким же объектом эволюционных законов, как и мозг других видов, но и совершенно другим, обладающим способностями оценивать материал, из которого мы состоим, и искать, и находить метафизические истоки нашего существования, в то время как другие животные, в буквальном смысле слова, живут накрепко привязанные к земле?

К первому десятилетию двадцать первого века необычные признаки, такие как относительный размер, величина потребления энергии и генетический набор, определяющий развитие головного мозга, казались необходимыми для объяснения наших удивительных когнитивных способностей, потому что те скудные данные, что были получены в предыдущем столетии относительно сравнения человеческого мозга с мозгом других животных, снова и снова подтверждали, что в мозге человека нет ничего особенного. По техническим причинам сравнение ткани мозга разных биологических видов в течение десятилетий ограничивалось оценкой плотности нейронов на срезах мозговой ткани, то есть оценивали число видимых под микроскопом нейронов на срезе определенной площади. Немногочисленные ученые, и среди них Дональд Тауэр и Герберт Хауг, исследовали плотность нейронов в коре головного мозга самых разнообразных видов млекопитающих и не обнаружили в мозге человека ничего такого, что принципиально отличало бы его от других млекопитающих. С точки зрения анатомии это означало, что вещество нашего мозга по своему строению не слишком сильно отличается от строения мозга других животных. Если это так, то наше превосходство может объясняться чем-то другим, выходящим за рамки обычного, как, например, относительным избытком массы мозговой ткани по отношению к массе тела или относительно большим потреблением энергии, как если бы мозг был высокоскоростным компьютером.

Возможно, однако, причина того, что человеческий мозг кажется таким обыкновенным, заключается в том, что людей просто сравнивали не с теми видами, как, например, сравнивали бы яблоки с апельсинами. В своей первой работе Дональд Тауэр [43] , а позднее Герберт Хауг [44] позволили себе вольность сравнивать мышей, кроликов, кошек, коров, китов, обезьян и людей друг с другом, не считаясь с возможностью того, что если существуют очевидные различия между грызунами, хищниками, парнокопытными, китообразными и приматами, то, вероятно, между ними могут наблюдаться по меньшей мере некоторые внутренние отличия, которые, возможно, распространяются и на их мозг. Гарри Джерисон поступил так же, как упомянутые авторы. Такие сравнения находились в полном согласии с основополагающим допущением о том, что мозг всех млекопитающих устроен в принципе одинаково, что находит свое выражение в общем соотношении между размером мозга и числом нейронов, – и по этому признаку мозг человека не отличается от мозга других млекопитающих. Хотя об этом никогда не говорили прямо, в двадцатом веке, что следует из обычной практики неразборчивого сравнения мозгов самых разнообразных видов, господствовала надежда на то, что мозг всех млекопитающих – крупных и мелких – был увеличенным или уменьшенным вариантом одного и того же основного плана строения.

43

Tower, 1954; Tower and Elliott, 1952.

44

Haug, 1987.

Но что если это не соответствует действительности?

Действительно ли все мозги устроены одинаково?

Давайте на время забудем об энцефализации, расточительном потреблении энергии и, отступив, снова попробуем разобраться в фундаментальных вещах. Немного критического мышления достаточно для того, чтобы понять, что все мозги не могут быть устроены одинаково и характеризоваться одинаковым и универсальным отношением между размерами мозга и числом нейронов. Естественно, каждый мозг состоит из нейронов, мельчайших счетных единиц, обрабатывающих информацию и передающих ее в крупные обширные сети, которые нейроны образуют в головном мозге. Информация попадает в нейроны через синапсы, причем на каждый нейрон приходится от 10 до 100 тысяч синапсов. Информация, проходящая через все эти синапсы, сходится на теле нейрона, который затем обрабатывает ее и передает результат следующему нейрону. Несмотря на то что обладание многими синапсами увеличивает гибкость в обработке информации и повышает ее возможную сложность, разумно предположить, что в конечном итоге счетная способность мозга данного биологического вида в гораздо большей степени лимитирована числом нейронов, нежели числом их синапсов [45] .

45

Williams and Herrup, 1988.