В нейронной вселенной

Клетки головного мозга живут дольше, чем любые другие клетки вашего организма. В то время как клетка кожи погибает через три недели, клетка эпителия, выстилающего желудок, живет всего три дня, большинство клеток головного мозга сопровождают вас с самого рождения. Мозг содержит около 100 миллиардов нейронов. До недавнего времени ученые считали, что никаких новых нервных клеток мозг произвести не в состоянии – «нервные клетки не восстанавливаются»; но в последние десятилетия обнаружилось: взрослый мозг все-таки способен генерировать новые нейроны в отдельных своих частях, включая гиппокамп (центр памяти). Этот процесс называется «взрослый нейрогенез». Человеческий мозг оказался более пластичным и способным к регенерации, чем мы думали.

С годами мозг утрачивает клетки – в результате травм, болезней и естественного процесса старения. Клеточного же деления у нейронов нет: для избавления от клеточного мусора и сохранения здоровья и активности они пользуются защитными механизмами, такими как апоптоз.

Помимо нейронов у мозга имеются и специализированные клетки, так называемые глиальные, чья функция, в частности, обеспечивать нейроны питательными веществами, изолировать их и удерживать на месте. Глиальных клеток в мозге в 10–50 раз больше, чем нейронов.

Так же как компьютер и сердце, мозг работает благодаря электричеству. Нейроны передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Многотысячные дендриты получают информацию от других нейронов, в то время как корнеподобные аксоны отправляют ее не только другим нейронам, но и прочим клеткам в различные органы. Эти клетки, подобно компьютеру, принимают и обрабатывают поступающую информацию, чтобы принять решение о том, что делать дальше. В некоторых случаях последнее слово будет за вами – успокоиться и продолжить неприятный разговор или прекратить его и уйти хлопнув дверью? – а другие решения принимаются без вашего участия, теми же нейронами, которые регулируют ваше дыхание.

Как мозг обрастает связями

Мозг новорожденного намного меньше, чем у взрослого. Но различия между ними выходят далеко за рамки размеров: все дело в «электропроводке». Исследования мозга показывают, что мозг младенца имеет куда меньше нейронных связей и глиальных клеток в сравнении со зрелым мозгом взрослого человека, который буквально опутан проводящими путями в миелиновой «изоляции». Число нейронных связей во взрослом мозге и их прочность зависят от того, сколько новых знаний, впечатлений и опыта мы получаем в течение жизни.

О том, как работает мозг, нам рассказал доктор Шеннан Уайсс, доцент кафедры неврологии и нейробиологии Университета Томаса Джефферсона. Он объяснил, насколько «электропроводка» мозга важна для нашего развития и обучения на протяжении всей жизни. Ученым давно известно, что мозг создает новые нейронные связи в процессе своего развития. Но тот факт, что они могут создаваться на протяжении всей жизни, был установлен лишь недавно. За последние сорок лет ученые обнаружили, что мозг взрослого человека – как когда-то считалось, с жестко замонтиро-ванной электросхемой – на самом деле способен паять все новые контакты до глубокой старости, меняя нейронные пути и создавая новые возможности для восприятия и реагирования на все воздействия, от сенсорных стимулов до событий окружающей жизни. Способность мозга к «перенастройке» известна как нейропластичность, так что, выходит, и старую собаку можно научить новым трюкам. И наоборот, обучение помогает мозгу сохранять гибкость, несмотря на возраст.

Когда вы узнаете что-то новое, в ответ на это создается нейронный контур – что-то вроде микросхемы, объединяющей различные нейроны, а иногда и разные участки мозга. Каждый новый опыт, который вы приобретаете, влияет на соединения между нейронами. Повторный опыт усиливает эти связи. Со временем формируются нейронные сети, ассоциированные с конкретным опытом. Все знания, которые сегодня вам кажутся чуть ли не врожденными, когда-то начинались как хрупкая нейронная паутинка, со временем превратившаяся в крепкую разветвленную сеть.

Эта способность мозга накапливать опыта называется когнитивным резервом, или когнитивным запасом. Такой запас накапливается в течение всей жизни, и на него оказывает влияние все – от образования и выученных языков до пережитых эмоций и событий. Нейропластичность позволяет нам укреплять мозг и делать его более устойчивым к возрастным угрозам. Так же как мы наращиваем мышцы с помощью физических нагрузок, мы можем укрепить мозг с помощью нагрузок интеллектуальных, заставляющих его создавать новые связи между нейронами.

Так же как мы наращиваем мышцы с помощью физических нагрузок, мы можем укрепить мозг с помощью нагрузок интеллектуальных, заставляющих его создавать новые связи между нейронами.

В 2014 году тридцатидвухлетняя Даниэль Бассетт стала самым молодым в истории ученым, выигравшим «Грант для гениев» Фонда Макартуров на исследование того, как мозг перестраивается с течением времени. Бассетт предположила, что наш мозг представляет собой систему сетей, которые растут в соответствии с типами соединений, создаваемых нашим опытом. Чем больше соединений между существующими хабами – концентраторами информации – создаст мозг, тем быстрее он сможет сообразить, как использовать накопленные знания для выполнения новых задач – что облегчит ваше дальнейшее обучение. Для мозга это идеальный путь коммуникации по его обширной сети, минимизирующий количество «прыжков» из одной сети в другую. Мостики – синапсы между концентраторами – позволяют информации свободно перетекать по всем сетям. Чем больше таких мостиков, тем легче мозгу решать проблемы, анализировать, запоминать. Продолжая учиться, мы выстраиваем все новые мостики, и это то, что нам нужно, ведь с возрастом некоторые концентраторы естественным образом деградируют.

Хотя федеральное правительство и выделяет около полумиллиарда долларов в год на исследования болезни Альцгеймера – ничтожная доля от 200 с лишним миллиардов долларов, которые страна ежегодно теряет от этой болезни, – ученые до сих пор не знают точной причины возникновения этого заболевания.

Представьте себе, что вам предстоит дальний перелет. Если вы опоздали на свой рейс из крупного аэропорта, скажем, аэропорта имени Кеннеди в Нью-Йорке, вы можете мгновенно перестроить свой маршрут, вылетев в Лос-Анджелес и продолжив его уже оттуда. Но что, если ваш рейс отправлялся из маленького регионального аэропорта с низким трафиком? Если вы пропустите свой рейс, вам наверняка придется выбирать «кривой» маршрут с большим количеством пересадок – и потерять в дороге немало часов. Построение крепких нейронных сетей в течение всей жизни создает нейронные хабы с многочисленными синапсами, и такие узлы больше похожи на аэропорт имени Кеннеди, чем на вертолетное поле в штате Мэн.

НЕЙРОМЕДИАТОРЫ: ВОЗРАСТ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ В МОЗГЕ

Миллиарды нейронов мозга создают триллионы соединений в местах встречи, которые называются синапсами. Когда нейрону нужно передать сообщение другому нейрону, он испускает электрический импульс, который высвобождает молекулы особого сигнального вещества – нейромедиатора (нейротрансмиттера). Нейромедиатор заполняет синапс, и принимающий нейрон считывает присланное сообщение, а в ответ испускает собственный электрический импульс. Нейромедиаторы – своего рода эсэмэски, которыми обмениваются нейроны; некоторые передают нейрону сигнал действовать (возбуждающие нейромедиаторы), другие – не суетиться (тормозные нейромедиаторы).

Типов нейромедиаторов много, и все они имеют собственные участки работы, пересылая информацию нейронам о том, что вы видите и чувствуете, о вашем гормональном фоне и много о чем еще. Благодаря этим сообщениям ваше тело знает, что делать и когда.

На эту систему обмена сообщениями влияет множество факторов – от питания и лекарств до возрастных процессов. И хотя старение мозга – процесс весьма индивидуальный, исследования показывают, что у большинства людей с возрастом происходят изменения в таких нейромедиаторах, как глутаминовая кислота (глутамат), ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), серотонин и дофамин. Важно отметить, что эти изменения не обязательно влияют на мозг в целом; они могут затрагивать специфическую область мозга или даже один тип клеток.

ГЛУТАМАТ – одна из аминокислот, необходимых для производства белков. А кроме того, это главный возбуждающий нейромедиатор в мозге. Нормальные функции мозга, такие как обработка эмоций, управление моторикой и память, без участия глутамата невозможны.

Опыты на грызунах показывают, что уровень глутамата снижается с возрастом, так же как и плотность глутаматных рецепторов в некоторых областях мозга. Исследования мозга обнаружили снижение активности глутамата и в стареющем человеческом мозге – особенно в моторной коре, которая управляет произвольными физическими движениями. Изменения в моторной коре могут повлиять на силу мышц и моторику в процессе старения.

АЦЕТИЛХОЛИН тоже относится к возбуждающим нейромедиаторам. Он заставляет мышцы сокращаться, а железы – выделять гормоны. Ацетилхолин играет важнейшую роль в когнитивных процессах, особенно в запоминании; его снижение с возрастом связывают с когнитивной деградацией. У пациентов с болезнью Альцгеймера количество ацетилхолиновых рецепторов оказалось ниже, чем у их здоровых сверстников. Современные препараты снимают симптомы болезни Альцгеймера, повышая уровень ацетилхолина в головном мозге.

ГАММА-АМИНОМАСЛЯНАЯ КИСЛОТА (ГАМК) является основным тормозным нейромедиатором в мозге взрослого человека. Низкий уровень ГАМК связывают с депрессией и тревожностью.

С возрастом вырабатывается все меньше ГАМК, но, как показывают исследования, мы можем повысить ее уровень естественным путем – с помощью физических упражнений. В ходе эксперимента участники занимались йогой три раза в неделю в течение трех месяцев, а ученые наблюдали за их уровнем ГАМК и настроением. Через три недели у всех участников испытаний не только повысился уровень ГАМК, но они также сообщили об улучшении настроения и снижении тревожности.

СЕРОТОНИН выполняет множество функций: сужает кровеносные сосуды, помогает вам заснуть, регулирует температуру тела. Но, пожалуй, наиболее известен он как «гормон счастья» – химическое вещество, которое вызывает у нас прилив радости и ощущение благополучия.

С возрастом способность нейрорецепторов связывать серотонин снижается, и мозгу все труднее «читать» его сообщения. Дневной свет и физические упражнения позволяют естественным образом повысить выработку серотонина, и это одна из причин вашего отличного настроения после прогулки или удачной тренировки в спортзале (а еще лучше отправиться на пробежку на свежем воздухе). Трудно переоценить такое воздействие серотонина, тем более что, как мы вскоре увидим, долголетие во многом зависит от нашего настроения.

ДОФАМИН – возбуждающий нейромедиатор «системы вознаграждения» мозга, отвечающий за мотивированное поведение. Всплеск дофамина сопровождает многие процессы, вызывающие привыкание, – от занятий сексом и азартных игр до употребления сахара, алкоголя и наркотиков. Дофамин помечает этот опыт в нашем сознании как удовольствие или веселье. Но есть у дофамина и более симпатичные функции: он вырабатывается, когда мы испытываем нежность к другому существу, и отвечает за мотивацию и концентрацию внимания.

Уровень дофамина снижается с возрастом, как и число дофаминовых рецепторов. При болезни Паркинсона к тому же происходит гибель нейронов, вырабатывающих дофамин, поэтому его уровень у страдающих этим заболеванием катастрофически снижается. Но есть данные, что повысить его помогает медитация.

Но синапсы в мозге не только образуются – они могут и разрушаться. Болезни, которые нарушают клеточную активность в информационных хабах мозга, способствуют снижению когнитивных функций в пожилом возрасте. Есть мнение, что именно так «работает» болезнь Альцгеймера – поражая наиболее важные узлы обмена информацией. Физически симптомы болезни проявляются как потеря памяти и «каша в голове». Когда хабы попадают под удар, поток информации уже не проходит так же легко, как раньше, и человек забывает, куда положил ключи, где живет, а в конечном итоге и то, что знал спокон веку: как выглядят родные, как одеваться, как говорить. Чем больше выстроено связей между различными участками мозга, тем удобнее мозгу оперировать заложенной в нем информацией и тем больше возможностей для альтернативного маршрута в экстренном случае. А значит, чем плотнее нейронные сети, тем устойчивее ваш мозг к нейродегенерации.