Нейронаука в наши дни
Открытые вопросы, касающиеся нервной системы и мозга, весьма отличаются от вопросов, относящихся к таким предметам, как физика, химия и даже биология в целом. И указать на важные пробелы в нашем знании и понимании работы мозга может и дилетант, не имеющий отношения к науке, осознает, что мы не понимаем механизмы осуществления высших функций мозга, таких как сознание, обучение, сон, координирование движений, или, даже, каким образом мы сознательно сгибаем палец. Но этому человеку гораздо труднее указать, чего мы еще не знаем о теории относительности, физике элементарных частиц, химических реакциях или генетике. Именно изобилие достаточно очевидных и явно важных вопросов делает нейронауку такой привлекательной в наши дни.
Чтобы привести пример из повседневной жизни об ограниченности наших знаний о том, как функционирует мозг, рассмотрим такой вид спорта, как теннис. Опытный игрок, например Мартина Хингис, видит, как ее противник наносит удар по мячу. Она способна быстро вычислить, куда он приземлится и как высоко отскочит. Мяч будет двигаться со скоростью 100 км/ч, но она может броситься к нужному месту, вытянуть руку так, чтобы мяч попал точно в центр ракетки, и с необходимой силой послать его прямо к задней линии корта противника (используя известную слабость оппонента в ударах слева). С тем же успехом можно привести примеры того, как пеликан ныряет за рыбой, как лягушка ловит муху кончиком языка, или как пчела берет нектар с определенного цветка. В каждом из этих примеров необходимо выделить предметы из их пестрого окружения, разработать, начать, отрегулировать и привести к завершению ряд высоко координированных движений. И, каким-то образом, для всего этого должны существовать необходимые нейронные связи.
Результат обогащенного сенсорного опыта, приобретенного в ранний период жизни
Так как гибкость связей и особенности строения мозга в ранние периоды развития делают мозг чувствительным к сенсорной депривации, естественным будет вопрос: может ли произойти усиление работы коры, если в ранние периоды животное приобретает больше разнообразного опыта. Однако это довольно трудно проверить на практике: во-первых, новорожденные животные должны находиться большую часть времени со своими матерями; во-вторых, трудно узнать наверняка, что будет разнообразным и приятным стимулом для, скажем, рожденного в природных условиях птенца, крысенка, мышонка или детеныша обезьяны.
Интересный и неожиданный результат был обнаружен Брайнардом и Кнудсеном в опытах со смещением поля зрения амбарной совы, о чем мы писали выше. Во второй серии экспериментов они повторили проведенные ранее процедуры с одним существенным отличием, заключающемся в том, в каких условиях содержали совят. Совята проводили первые недели жизни в вольере, где они жили вместе с другими совами и могли летать. У этих совят с более богатым опытом, так же, как и до этого, обнаруживался эффект перемещения зрительного поля, согласно новому расположению зрительного поля. После того, как призмы удаляли, у молодых животных, которым не исполнилось 200 дней, как и прежде, слуховая пространственная карта возвращалась к своему исходному расположению в коре, чтобы вновь соответствовать зрительной карте. В чем же была новизна и отличие от предыдущих опытов? В том, что и через много времени после 200 дней, когда сова уже становится взрослой и зрелой, у таких сов происходило перемещение слухового поля при удалении призм, как будто критический период для них еще не закончился. Подобным же образом ранний критический период, в течение которого происходило перемещение слуховой карты в области четверохолмия при помещении на глаза совы призм, продлевался с 70 до 200 дней. Таким образом, богатый опыт продлял период адаптационной способности в слуховой системе. В других опытах было показано, что совы, которые научились однажды адаптироваться к призмам в раннем возрасте, могут устанавливать новые связи и во взрослом состоянии, в отличие от животных, которые не имели такого опыта.
Обогащение сенсорного опыта в ранние периоды жизни также может приводить к морфологическим изменениям в нейронах. В зрительной коре крыс и мышей, которые получали частые, ежедневные, чувствительные, но не вызывающие негативной реакции сенсорные стимулы в ранние периоды жизни, была обнаружена более выраженная ветвистость дендритов, чем у контрольных животных.
Критические периоды для развития высших функций
Имеется большое количество литературных данных о том, что и другие поведенческие процессы у разных животных могут иметь критические периоды (periodofsusceptibility). Примером этого может быть импринтинг. Лоренц показал, что утята следуют за любым движущимся объектом, при условии, если он демонстрировался им в течение первого дня после вылупления и служит «матерью» на протяжении всей их дальнейшей жизни. Подобно этому, мелодии, воспроизводимые птицами, такими как полосатый зяблик (zebrafinch), зависят от песен, которые птенцы слышали в ранние периоды жизни, во время критического периода. Птицы определенных видов могут запоминать и воспроизводить определенные (но не все) мелодии, которые они слышали в раннем возрасте. У более высокоорганизованных животных — например собак — изучение поведения показывает, что если они живут вместе с людьми в течение критического периода с 4 до 8 недель после рождения, то они гораздо легче поддаются дрессировке и более послушны, чем животные, выросшие вне контакта с человеком. Критическим периодом развития животных, по видимому, является время, в течение которого происходит значительное обострение чувств и способностей.
В чем же биологическое значение критических периодов?
Почему пластичность в раннем возрасте настолько выражена? Развивающийся мозг должен не только образовывать свои структуры, но также и уметь представлять окружающий мир, тело и его движения. Глаз, например, должен вырасти до определенного размера для того, чтобы удаленные объекты находились строго в фокусе сетчатки, проецируясь через расслабленный хрусталик. Два глаза, находящиеся на расстоянии друг от друга, должны согласованно перемещаться у новорожденных. Кроме того, возникают большие изменения в размерах конечностей, диаметре головы и, следовательно, в нашем ощущении тела в первые месяцы и годы жизни.
Во всех этих случаях представление различных функций в мозгу должно быть согласовано, как это происходит в опытах Кнудсена с совой. Однако есть свидетельства того,что пластичность возможна и во взрослом состоянии. На функциональном уровне, даже во взрослом состоянии, мы можем быстро и обратимо адаптироваться к призмам, находящимся поверх наших глаз, которые вызывают смешение зрительных полей. Также могут заполняться «слепые пятна», являющиеся результатом повреждения глаза. У взрослых обезьян после повреждения и деафферентации возникают изменения в представлении тела в соматосенсорной коре.
Очень заманчиво порассуждать о возможном влиянии депривации на высшие функции человека. Как сказал Хьюбель:
Клеточные и молекулярные исследования нейрональных функций
Вначале стоит отметить, что за последние несколько лет новая информация о каналах, рецепторах, трансмиттерах, транспортерах, вторичных посредниках и долговременных изменениях в синапсах стала поступать с такой скоростью, что открытые вопросы, поставленные сегодня, возможно, уже найдут свои решения ко времени выхода этой книги.
Итак, все еще остаются необъясненными тонкие структурные изменения белков, опосредующие процессы открытия, закрытия и инактивации ионных каналов. Неясно, каково функциональное предназначение столь большого числа подтипов ионных каналов, рецепторов и транспортеров. Другая большая проблема — это механизм доставки этих молекул к строго определенным участкам нейрона, например, натриевых каналов к перехватам Ранвье, рецепторов возбуждающих аминокислот к шипикам дендритов, а синаптических везикул — к активным зонам пресинаптических терминалей. Формирование постсинаптических специализаций нервно-мышечного синапса дает пример идентификации ряда ключевых молекул в подобных процессах, однако детальные механизмы и в этом случае остаются во многом не установленными.
Чтобы объяснить механизмы, лежащие в основе таких проблем, как долговременная потенциация и долговременная депрессия, было проведено огромное число детальных экспериментов. К числу фундаментальных вопросов, связанных с этим феноменом, относится роль ретроградных сигналов от постсинаптического нейрона к пресинаптическим терминалям. Другой важный вопрос — являются ли долговременная потенциация и депрессия действительно необходимыми для формирования памяти и извлечения информации из мест хранения.
Функциональное значение межклеточного перемещения веществ
Многочисленными экспериментами было продемонстрировано транссинаптическое перемещение аминокислот или белков между нейронами, например, от сетчатки через латеральное коленчатое ядро к зрительным центрам коры головного мозга. То, что это перемещение происходит, точно установлено. Тем не менее, мы не обладаем важной информацией о механизмах этого переноса и его функциональном значении. Межклеточное перемещение малых молекул происходит между клетками, связанными щелевыми контактами. Предполагается, что межклеточное перемещение веществ представляет собой механизм контроля роста и развития клеток. Связанный с этим вопрос касается роли глиальных клеток для функционирования нейронов. В особенности неясной является количественная характеристика обмена молекул между глиальными клетками и нейронами, значение такого обмена для функционирования нейронных сетей.
Несмотря на значительный прогресс, все еще неизвестно, как нейроны выбирают свои специфические мишени. Уже в настоящее время разрабатываются подходы к рассмотрению таких вопросов, как направленный рост отростков нейронов к мишеням, прекращение роста и развитие связей посредством избирательного удаления отростков или смерти клеток. В то же время мы находимся только у самого порога знания о том, как с такой невероятной точностью осуществляются нервные связи. Как, например, устанавливаются связи терминалей афферентных волокон мышечных веретен на мотонейронах спинногомозга? Как среди нескольких тысяч нейронов, приходящихся на каждый кубический миллиметр нервной ткани, выбирается и иннервируется нужный участок соответствующего мотонейрона? Каким образом одна и та же сенсорная клетка на разных синапсах мозгового вещества образует синапсы с разными характеристиками выделения трансмиттера?