Мозг поумнел от хорошего электрического контакта

Синапс – место контакта между двумя нейронами или между нейроном и обычной клеткой. Он не просто служит проводником для импульсов, но регулирует амплитуду и частоту передаваемого сигнала – это "устройство" можно назвать маленьким биологическим транзистором (иллюстрация Scientific American/Sebastian Kaulitzki).

Постижение принципов работы головного мозга и построение его всеобъемлющей модели – одна из самых больших задач, стоящих перед современной наукой. Новое исследование пролило свет на эволюцию высшей нервной деятельности и на то, как нам удалось стать такими умными. Ну или хотя бы некоторым из нас…

Чтобы продвинуться в изучении этого вопроса, британские нейробиологи долго и кропотливо изучали одноклеточных, мух, мышей и, само собой, добровольцев вида Homo sapiens. Труды их оказались не напрасны: теперь можно смело утверждать, что на возникновение интеллекта повлияло не столько количество серого вещества, сколько качество системы передачи данных между нейронами.

Обмен импульсами (то есть управление всей деятельностью живых организмов) осуществляется посредством синапсов – биохимических комплексов, отвечающих в основном за контакт между аксоном и дендритом.

Учёные считают, что именно усложнение этих контактов способствовало возникновению более продвинутых моделей поведения у млекопитающих, а впоследствии – и у человека.

Упрощённый механизм передачи сигнала выглядит так: из синаптических пузырьков аксона освобождается нейротрансмиттер, который выходит в синаптическую щель и, после определённой реакции, соединяется с молекулярными рецепторами дендрита. В результате индукции и возникает нервный импульс (иллюстрация с сайта wikipedia.org).

В ходе многоступенчатого исследования удалось выяснить, что развитие нервных соединений – альфа и омега интеллектуальной революции: сначала появились строительные кирпичики необходимой сложности, а уж потом на их основе стало возможным возведение величественного здания головного мозга.

Результаты этой работы опубликованы в журнале Nature Neuroscience.

До сих пор господствовала точка зрения, согласно которой синапсы у большинства животных устроены схожим образом, а разница в мыслительном потенциале возникает лишь вследствие большего или меньшего их количества. Это помимо относительного объёма черепной коробки, разумеется.

"Мы всегда упрощённо думали, что чем больше нейронов, тем круче мозг, но наша последняя работа это опровергает, – говорит профессор Сет Грант (Seth Grant), руководитель исследования и по совместительству глава программы Genes to Cognition. – Никто до сих пор не обращал внимания на молекулярный состав нейронных контактов".

Известны по крайней мере два проводящих механизма в синапсе: непосредственно через синаптическую щель посредством поляризации мембраны и передача при высоком содержании ионов кальция. Второй механизм, предположительно, быстрее первого (иллюстрация с сайта wmneurosurgery.org).

Британские учёные обнаружили существенные различия в числе и сложности белков, определяющих характер передачи импульсов. В синапсах млекопитающих было обнаружено около 600 различных типов белков, у беспозвоночных – примерно 300.

Но это ещё не всё. У дрожжевых бактерий было зафиксировано около 150 типов белков – а ведь у них вообще нет мозга. Зато синаптические связи помогают одноклеточным интерпретировать внешние сигналы – изменение температуры, например.

По мнению профессора Гранта, обнаруженные у микроорганизмов контакты – потомки древнего "протосинапса", который обеспечивал формирование первых моделей поведения. То есть именно таким образом впервые возникла способность реагировать на окружающую действительность и вырабатывать соответствующую стратегию.

В дальнейшем число возможных комбинаций ответных реакций росло – сначала у беспозвоночных, а потом и у позвоночных. Венцом творения в данном случае, естественно, выступает человек. Возможно, что развитие синаптических связей в итоге и привело к появлению логики.

Доктор Грант считает, что количество и сложность протеинов в синапсе росли взрывообразно. Впервые это произошло около трёх миллиардов лет назад, когда появились многоклеточные. Вторая волна – появление позвоночных около 500 миллионов лет назад (иллюстрации с сайтов fireflyforest.net, eb.com/MEMBRANA).

Уже в ходе первого этапа исследования учёным впервые удалось выделить нейронные белки из мозга мух, что позволило оценить механизм передачи данных у беспозвоночных и сравнить его с известными данными по животным.

Дальнейшее изучение поведенческих моделей и соответствующих наследственных мутаций у животных подтвердило первоначальные оценки: эволюция "передаточных" протеинов связана с усложнением моделей сознания – вплоть до возникновения высшей нервной деятельности.

Например, один из локализованных генов – SAP102 – "позволял" подопытным мышам правильно ориентироваться в лабиринте. Дело в том, что при его блокировании перестают вырабатываться необходимые для прохождения нервных импульсов белки (причём только определённых типов), и в этом случае мышки просто не могут найти дорогу. Мутации данного гена у человека, отметим, приводят к умственной неполноценности.

Таким образом, удалось связать несколько выделенных ранее генов с когнитивными способностями животных и людей – это по-настоящему серьёзное достижение.

взаимосвязи между интенсивностью передачи импульса и памятью. У синапса существует так называемая длительная потенциация (LTP), когда поддерживается длительный контакт, и долговременная депрессия (LTD), когда он блокируется. Большинство теоретиков нейрофизиологии полагает, что эти два механизма лежат в основе клеточных механизмов памяти и обучения (иллюстрация Discovery, Genes to Cognition/Sanger Institute)." width="478" height="301">

Другой интересный результат изучения синапсов – установление взаимосвязи между интенсивностью передачи импульса и памятью. У синапса существует так называемая длительная потенциация (LTP), когда поддерживается длительный контакт, и долговременная депрессия (LTD), когда он блокируется. Большинство теоретиков нейрофизиологии полагает, что эти два механизма лежат в основе клеточных механизмов памяти и обучения (иллюстрация Discovery, Genes to Cognition/Sanger Institute).

Не исключено, что именно усложнение протеинов – ключ к пониманию мыслительных способностей. Авторы работы считают, что такой "апгрейд" явился причиной выделения специализированных отделов в головном мозге, что, в свою очередь, сформировало предпосылки для возникновения высшей нервной деятельности.

"Вскоре мы сможем построить простую модель возникновения сознания и поведения, общую для всех существующих видов", — говорит доктор Грант. По его мнению, мы находимся "в одном шаге" от того, чтобы ответить на поистине философский вопрос: что есть мысль и что есть человеческая логика.

А другой участник проекта, доктор Ричард Эмес (Richard Emes) из университета Киля (Keele University), считает, что, по крайней мере, начал вырисовываться эволюционный путь сознания: "Это потрясающе, как природа методом проб и ошибок соединила соответствующие белки в примитивную сенсорную систему сначала у простейших, а потом мы дошли до более сложных синаптических связей у млекопитающих, которые позволяют не только реагировать на окружающий мир, но и анализировать его".

Кстати, недавно учёные выяснили, что при передаче импульсов между двумя нейронами часть данных может "перекидываться" на соседние синапсы – для увеличения пропускной способности (иллюстрация с сайта georgiapainphysicians.com/MEMBRANA).

В общем, на данном этапе схема развития сознания представляется следующим образом: рост сложности молекулярных комплексов – появление "больших" синапсов – увеличение объёма мозга. По крайней мере, если опираться на результаты нового исследования.

Кстати, авторы работы сравнивают эволюцию синапса с увеличением вычислительной мощности процессоров. Интересно, человек – это уже достигнутый потолок роста производительности, или возможны и более совершенные создания?

Достигли ли мы своего квантового потолка?

Источник Мозг поумнел от хорошего электрического контакта