Недавно поступил очень интересный комментарий, с просьбой ответить на вопросы. Причем вопросы от "Дитё", но какие! Отличнейшие вопросы!
Уважаемая Ксения, передайте пожалуйста вашему юному, но уже такому пытливому нейроисследователю, что он мыслит как настоящий ученый. Давайте разберем все по полочкам, но без излишнего упрощения — ведь я вижу, что здесь нужна настоящая наука, пусть и для маленького человечка, а не сказки.
1. Нейроны могут образовывать новые связи? Если да, то это новые синапсы? Тогда что происходит, если до этого уже был образован синапс с другим нейроном?
Да, и это одно из самых великих открытий нейронауки — нейропластичность. Нейроны постоянно образуют новые связи. Да, это и есть образование новых синапсов — тех самых специализированных контактов, где происходит передача сигнала. Представьте себе дерево (нейрон), которое постоянно выращивает новые тонкие веточки (дендриты) и протягивает длинные корни (аксоны) в сторону других деревьев.
Что происходит со старыми синапсами? Абсолютно ничего катастрофического. Нейрон — не моногамное создание, он полигамен в связях. У одного нейрона могут быть тысячи синаптических контактов с тысячами других нейронов. Образование нового синапса не требует «развода» со старым. Скорее, это похоже на то, как вы знакомитесь с новым интересным человеком, не переставая общаться со старыми друзьями. Однако, если старый синапс долго не используется (сигнал по нему не проходит), он может ослабеть и в итоге «закрыться» — это называется синаптическим прунингом (обрезкой). Мозг избавляется от ненужного, чтобы эффективнее поддерживать нужное. Мозг не любит просто так тратить ресурсы, а работа мозга человека ой как затратна!
2. По какому принципу нейрон выбирает, с каким другим нейроном образовать синапс?
Это высший пилотаж клеточной навигации. Принципов несколько:
- «Нейроны, которые возбуждаются вместе, связываются вместе» (правило Хебба). Это ключевой принцип. Если нейрон А постоянно и активно участвует в возбуждении нейрона Б, то между ними укрепляется связь, и они стремятся образовать или усилить синапс. Общая активность — главный сигнал «давай дружить!».
- Химическая навигация. Кончики растущих аксонов (growth cones) — это не пассивные отростки. Это сенсорные устройства, которые «нюхают» и «пробуют на вкус» окружающую среду. Они следуют за градиентами особых молекул — факторов роста, тропинов, молекул клеточной адгезии. Одни молекулы говорят: «Иди сюда!», другие — «Стой, дальше нельзя!». Это как если бы вы шли по улице, ориентируясь на запах вкусного свежеиспеченного хлеба, и обходили участки с запахом тухлого или сгоревшего.
- Клеточная «адресная система». В процессе эмбрионального развития работает грандиозная генетическая программа, которая задает грубые «магистрали» для пучков аксонов. Нейроны-мишени выделяют специфические маркеры. Можно думать об этом как о почтовом индексе: аксон растет в общем направлении «города» (области мозга), а затем ищет «улицу» и «дом» с нужной табличкой.
3. Нейрон может "шевелить" аксоном или дендритами? Если да, то как "нейрон" понимает, в какую сторону ему "шевелиться"?
Да, и это захватывающее зрелище под микроскопом! Аксоны и дендриты не статичны. Их кончики — те самые ростовые конусы — постоянно находятся в движении. Они вытягивают и втягивают микроскопические отростки (филоподии), как щупальца, ощупывая пространство.
Как они понимают куда? Ростовой конус — это мозг и мускулы роста в одном лице. На его мембране находятся рецепторы, которые улавливают те самые химические сигналы (см. выше). Внутри конуса — сложный динамический скелет из белков (актина и микротрубочек). Получив химический сигнал «иди туда», в конусе запускается каскад реакций, который перестраивает скелет: нити актина начинают полимеризоваться с одной стороны, толкая мембрану вперед, а с другой стороны — разрушаться. Это и есть «шевеление». Представьте, что у вас на плече сидит навигатор (рецепторы), который кричит: «Правее!». Вы (ростовой конус) напрягаете мышцы ног (актиновый скелет) и делаете шаг вправо.
4. Могут ли аксоны запутаться? Почему?
Могут, и когда это происходит в масштабах мозга — это лежит в основе тяжелейших заболеваний. В норме система навигации работает практически безупречно. Но если в генетической программе есть сбой, если нарушены химические градиенты или механизмы клеточного распознавания, аксоны могут не найти свою цель, вырасти не туда и образовать хаотичные, нефункциональные связи. Это называется ахорией (отсутствием пути). Такие нарушения описаны, например, при некоторых формах аутизма и шизофрении. На микроуровне, при травме или нейродегенерации (как при болезни Альцгеймера), также может происходить дезорганизация отростков нейронов. Так что мозг — это не вечный беспорядок проводов, а тщательно организованная и постоянно обслуживаемая проводка, где «запутывание» является серьезной неисправностью.
5. Нейрогенез. Если из стволовой клетки образуется новый нейрон, то где территориально это происходит? Как этот новый нейрон попадает в то место, где "будет жить".
У взрослых млекопитающих, включая человека, есть несколько четко определенных нейрогенных ниш:
- Субвентрикулярная зона (около желудочков мозга). Здесь рождаются нейроны, которые затем мигрируют в обонятельную луковицу (участвующую в восприятии запахов).
- Субгранулярная зона гиппокампа (в глубине зубчатой извилины). Здесь рождаются новые гранулярные клетки, которые встраиваются в существующую сеть гиппокампа — структуры, критически важной для памяти и обучения.
Миграция — это отдельное эпическое путешествие. Новорожденный нейрон (нейробласт) не плывет бесцельно. Есть два главных способа:
- Миграция «на попутках». Клетка цепляется за длинные отростки специальных клеток-проводников — радиальных глиальных клеток — и буквально карабкается по ним, как по канату, к месту назначения.
- Хемотаксис. Клетка, как и ростовой конус аксона, чувствует химические сигналы. Клетки целевой области (например, обонятельной луковицы) выделяют хемоаттрактанты («иди сюда»), а клетки областей, куда идти не надо, — хеморепелленты («уходи отсюда»). Так нейрон, активно «принюхиваясь», находит свой новый дом.
6. Нейрогенез. Как мозг решает, что "нужно сделать новый нейрон"?
Решение принимается на местном уровне в нейрогенных нишах под влиянием целого спектра сигналов:
- Обогащенная среда и обучение. Новые впечатления, изучение сложных навыков, физическая активность (особенно аэробная) — мощнейшие стимулы нейрогенеза. Они повышают уровень специфических факторов роста (например, BDNF — мозгового нейротрофического фактора), который является прямым сигналом для стволовых клеток: «Пора делиться!».
- Гормональный фон. Некоторые гормоны, например, эстрогены, могут стимулировать нейрогенез. А хронический стресс и высокий уровень кортизола, наоборот, подавляют его.
- Внутренние часовые гены и сигналы от соседей. Стволовые и прогениторные клетки в нише общаются друг с другом через непосредственные контакты и выделяемые вещества, поддерживая баланс между покоем, делением и дифференцировкой. Это саморегулирующаяся экосистема.
7. Если новый нейрон "устроился на ПМЖ"... может ли он случайно аксоном попасть в синапс между двумя другими нейронами?
Превосходный, каверзный вопрос! Прямо «попасть» в уже работающий синапс и разорвать его — маловероятно. Это как пытаться вставить свою вилку зарядного устройства в уже включенную в розетку чужую — механика сложная. Но что происходит на самом деле — еще интереснее.
Новый нейрон не врывается грубо, он конкурирует за место под солнцем и за внимание соседей. Он начинает формировать свои собственные синапсы на тех же самых нейронах-мишенях, что и его старшие соседи. Включается принцип синаптической конкуренции. Если новый нейрон окажется более активным и полезным для сети, его связи укрепятся. А слабые, малоиспользуемые синапсы старых нейронов на той же мишени могут быть ослаблены или устранятся в процессе прунинга. Таким образом, новый нейрон не ломает старые связи напрямую, но может косвенно способствовать «пересмотру контрактов» в нейронной сети, делая ее более пластичной и эффективной. Или ничего не сделать.
Передайте вашему дитю, что его вопросы попали прямо в десятку и демонстрируют прекрасное, структурное мышление. Именно из таких вопросов и рождается наука. Если его любопытство не угаснет — возможно, мы с ним когда-нибудь разберем какой-нибудь сложнейший клинический случай в нашем профессиональном чате.
А если у вас, уважаемые читатели, появятся свои вопросы о работе мозга и психики — не стесняйтесь. Пишите на электронную почту: droar@yandex.ru или в телеграм @Azat_psy.
Для глубокого разбора механизмов действия лекарств, которые могут влиять на все описанные выше процессы (нейропластичность, нейрогенез, синаптическую передачу), приглашаю коллег в наш специализированный телеграм-канал: https://t.me/azatasadullin.
С наилучшими пожеланиями юному исследователю и его мудрому наставнику, профессор Азат Асадуллин.