Революция в голове. Как новые нервные клетки омолаживают мозг - Кемперманн Герд

Нервные клетки

Нервные клетки принадлежат к числу самых сложных клеток с наиболее узкой специализацией. Их функция, прочно связанная с их совершенно особенной и весьма асимметричной формой (здесь говорят, что клетка поляризована, поскольку ее полюса очень сильно различаются), практически исключает способность к делению. По крайней мере, распространено такое мнение. Как мы уже говорили, когда нейроны в результате внутренних нарушений или неверных внешних сигналов пытаются запустить неправильную программу и все же вступить в клеточное деление, это оказывается несовместимо с остальными их качествами. Именно по этой причине они гибнут. Поскольку это происходит при нейродегенеративных заболеваниях, ученые предположили, что клетки предпринимают попытку деления, чтобы таким образом все же обеспечить регенерацию. Верно ли это, неизвестно. Точно можно сказать одно: нет никаких признаков того, что нейроны могут успешно делиться. А мозг не регенерирует (или почти не регенерирует).

Нервные клетки специализируются на обработке информации. Они принимают сигналы и передают их дальше, и сумма входящих сигналов, а также их распределение во времени, определяет, окажет ли нейрон возбуждающее (или, в зависимости от его типа, тормозящее) действие на другие, следующие в цепочке нервные клетки. Этим они немного похожи на электродетали, которые производит человек, такие как реле или транзистор. Мозг состоит из миллиардов нейронов, организованных в сложнейшую сеть. Пока что мы пытаемся выяснить, какие закономерности действуют в этих сетях, и понимаем их лишь частично. Они образуют небольшие схемы и функциональные единицы, которые соединяются в более крупные модули и системы. Из них, в свою очередь, формируются центры и области, а те уже составляют часть вышестоящих функциональных систем и более крупных анатомических мозговых структур. К таким системам, например, относятся сенсорная система, направленная на обработку информации от органов чувств, или моторная система, которая инициирует движения и управляет ими. Примеры более крупных анатомических мозговых структур – это кора головного мозга, ствол мозга, мозжечок, спинной мозг и так далее.

По словам «модули», «системы», «центры» и «области» уже можно понять, какую беспомощность ощущали исследователи, когда им нужно было установить иерархию функциональных и структурных терминов. Сегодня мы уже не так беспомощны, и ученые предпринимают многочисленные попытки соединить собранную информацию на компьютере, чтобы смоделировать участок новой коры головного мозга во всей его сложности. Эта затея[30] остается большой авантюрой, и совершенно непонятно, сможет ли она когда-нибудь увенчаться успехом.

Невероятная сложность мозга, вообще говоря, по-прежнему должна внушать смирение. Даже его минимальная функциональная структурная единица, а именно нервная клетка, для нас все еще чрезмерно сложна. То, каким образом нейроны выполняют свои задачи и как из их согласованного взаимодействия получаются, с одной стороны, структурные, а с другой – функциональные схемы, модули, системы и все прочие сети (и почему это возможно), до сих пор во многом непонятно.

Отношения между клетками в гиппокампе, а значит, и зернистыми клетками зубчатой извилины, которые демонстрируют нейрогенез взрослых, еще относительно просты. Гиппокамп – «древняя» мозговая структура: в эволюции он возник сравнительно рано, прежде всего до неокортекса. Гиппокамп тоже составляет часть коры, но это «архи»-кортекс – старая кора с ее относительно простым строением: она состоит всего из трех клеточных слоев, тогда как неокортекс состоит из шести.

Зернистые клетки – это очень однородная группа нейронов с упорядоченными входами и выходами. Подробности мы обсудим в следующей главе. Но это тоже полноценные нервные клетки со всем причитающимся. Особенными их делает то, что организм способен образовывать новые клетки этого типа. А это невозможно без стволовых клеток.

Стволовые клетки и нейрогенез взрослых

Таким образом, стволовые клетки – это необходимое условие для нейрогенеза взрослых. В гиппокампе и в стенке мозгового желудочка можно найти специализированные популяции стволовых клеток, из которых на протяжении всей жизни формируются новые нейроны. В других местах в мозге могут содержаться подобные им клетки, которые ученые способны побудить к образованию новых нейронов в клеточной культуре вне тела. Но в центральной нервной системе млекопитающего такое может случиться только в двух зонах нейрогенеза. А у человека это, судя по всему, происходит только в гиппокампе.

Стволовые клетки, которые лежат в основе нейрогенеза взрослых, способны к самообновлению и мультипотентны, как им и подобает, но фактически их потенциал существенно ограничен. В клеточной культуре из них можно получить нейроны и глиальные клетки обеих больших подгрупп, а именно астроциты и олигодендроциты. В самом мозге стволовые клетки гиппокампа обычно вообще не производят олигодендроцитов. Из них формируются нейроны одного типа и, вероятно, два вида астроцитов.

Таким образом, их мультипотентность в этих условиях не слишком впечатляет. Но главное, что из способной к делению недифференцированной клетки образуются дифференцированные дочерние клетки. Делящиеся клетки формируют резервуар, который поддерживает сам себя (посредством деления) и таким образом на протяжении всей жизни или, по крайней мере, очень долгого времени обеспечивает возможность нейрогенеза.

Слово «резервуар» в этом контексте вызывает некоторые проблемы. Здесь нельзя представить себе наполненный чем-то бак. Скорее речь идет о чрезвычайно динамичной системе. Часть стволовых клеток находится в покое, возможно, на протяжении очень долгого времени, другие постоянно делятся, даже когда их дочерние клетки совершенно не нужны.

В целом количество стволовых клеток с возрастом уменьшается. При этом, чтобы окончательно запутать ситуацию, не исключено, что стволовые клетки обладают способностью напрямую, без промежуточного деления, превращаться в астроциты или нейроны. Это означало бы, что отличительное свойство стволовых клеток – их способность к делению – не обязательно связано со вторым их свойством. Кроме того, тогда стволовые клетки вполне могли бы, пусть даже в порядке исключения, самостоятельно продолжать дифференцировку. Исследователь стволовых клеток из Майнца Бенедикт Бернингер в одной из своих статей иронически предположил, что стволовые клетки, очевидно, просто не слышали об определении, которое мы им дали.

На примере стволовых клеток в мозге взрослых мы снова видим, что в науке у каждого правила есть множество исключений, а противоречащие друг другу высказывания часто оказываются верны одновременно. По-видимому, нейроны не в последнюю очередь неспособны делиться потому, что они поляризованы, но при этом исследователи с изумлением обнаружили, что стволовые клетки в гиппокампе и в стенках мозговых желудочков тоже имеют полярность. Таким образом, возможно, она не имеет решающего значения. А может быть, полярность стволовых клеток отличается от полярности нейронов. В любом случае у стволовой клетки в гиппокампе есть длинный отросток, который она выпускает в сплетение нервных волокон, тогда как ее основание (что-то вроде ноги) располагается на кровеносных сосудах слоя зернистых клеток. В стенках желудочков на первый взгляд все устроено наоборот. Там стволовые клетки вытянуты между желудочком и кровеносными сосудами, которые здесь лежат глубже. При делении, судя по всему, возникают две очень разные клетки. Дочерняя клетка некоторым образом отделяется от материнской стволовой клетки на уровне ее ядра. Это отчасти напоминает почкование дрожжей.

В асимметричном процессе деления для стволовых клеток нет ничего необычного, хотя здесь он особенно бросается в глаза. При самообновлении как минимум одна дочерняя клетка должна быть идентична материнской. Но лишь благодаря асимметрии при этом можно получать что-то, кроме дополнительных стволовых клеток. Поэтому асимметричное клеточное деление – их отличительный признак. Только таким образом они могут одновременно быть способны к самообновлению и мультипотентности.