Одиннадцать фактов, которые мы узнали о человеческом мозге в 2018 году

Неизвестные клетки и даже участки мозга, новые функции и способности, новые терапевтические стратегии – это лишь некоторые из открытий, сделанных нейробиологами в уходящем году.

Иллюстрация geralt/pixabay.com.

Цифровая реконструкция "нейрона шиповника".

Иллюстрация Boldog, et al.; Nature Neuroscience.

Изображение срезов человеческого мозга. Слева от кровеносного сосуда можно заметить бактерии, вероятно, входящие в состав микробиоты мозга.

Фото Rosalinda Roberts, Courtney Walker, Charlene Farmer.

Фрагменты древней вирусной ДНК играют важнейшую роль в передаче данных между нейронами.

Иллюстрация ColiN00B/pixabay.com.

Высокий уровень "гормона стресса" кортизола связали с уменьшением объёма мозга и ухудшением памяти.

Фото davidqr/pixabay.com.

Учёные разглядели эндорестиформное ядро благодаря окрашиванию тканей ферментом под названием ацетилхолинэстераза.

Фото NeuRA.

Чуть больше килограмма тканей и нервных клеток формируют уникальный орган, самый загадочный для учёных – человеческий мозг. Нейробиологи не перестают удивляться его разнообразным возможностям и функциям, тем более, что открыты и изучены ещё далеко не все из них.

Редакция научного портала Live Science выделила десятку самых значимых исследований в области нейробиологии в 2018 году.

"Нейроны шиповника"

Американо-венгерская команда учёных обнаружила новый тип клеток мозга, которые встречаются исключительно у человека и, возможно, у других приматов. Эти клетки первооткрыватели назвали "нейронами шиповника" из-за их внешнего вида. Вокруг тела каждой такой клетки аксоны (отростки, через которые проходят нервные импульсы) образуют плотный пучок, и этот клубок напоминает розу с опавшими лепестками.

Оказалось, что "нейроны шиповника" относятся к классу ингибирующих нейронов, которые тормозят активность других клеток в головном мозге. Они составляют около 10-15% от общего числа "тормозящих нейронов".

Конкретная функция этого типа клеток пока не до конца понятна, но есть предположение, что они могут специфическим образом контролировать сигналы, передающиеся от других клеток, а именно, пирамидальных нейронов.

Примечательно, что у мышей и других модельных животных, которые используются в лабораторных исследованиях, подобных клеток специалисты не нашли. Это может объяснить, почему многие методы лечения заболеваний и нарушений работы мозга оказываются не столь эффективными, когда дело доходит до клинических испытаний.

Цифровая реконструкция нейрона шиповника.

Можно ли удалить часть мозга без последствий?

Американские нейробиологи описали необычный случай из своей практики. Четыре года назад семилетнему мальчику, которого специалисты назвали U.D., удалили треть правого полушария мозга, чтобы облегчить эпилептические припадки. Пациент среди прочего лишился правой части затылочной доли и большей части правой височной доли. Первая отвечает за восприятие зрительной информации, вторая обрабатывает слуховую информацию и способствует пониманию языка.

Спустя четыре года исследователи обнаружили, что мозг юного пациента почти полностью восстановил свои функции. Левое полушарие взяло на себя визуальные задачи (такие как распознавание лиц и объектов), которые должны были выполняться недостающими частями правого полушария. Кроме того, интеллект и когнитивные способности U.D. после операции развиваются на уровнях выше среднего (как и до вмешательства), а языковые и зрительные навыки соответствуют возрасту.

Единственное важное изменение заключается в том, что у пациента сузилась поле обзора: слева появилось "слепое пятно", и ему приходится поворачивать голову, чтобы увидеть объекты по левую сторону от себя.

По словам нейробиологов, этот случай – яркий пример нейропластичности мозга. Пока не до конца понятно, каким образом мозг мальчика сумел "перестроить" свою работу, однако учёные связывают такую "гибкость" с юным возрастом пациента.

Человеческий мозг кишит бактериями

Долгое время считалось, что здоровый мозг не содержит микроорганизмов, а стало быть, их присутствие сигнализирует о каком-либо заболевании. Но теперь специалисты установили, что человеческий мозг имеет собственную микробиоту, а бактерии в её составе, вероятно, безвредны.

Изучая ткани мозга скончавшихся пациентов (здоровых и страдавших от шизофрении), исследователи заметили странные структуры в форме палочек. Оказалось, что это микроорганизмы.

Секвенирование РНК показало, что большинство найденных бактерий относится к трём типам, причём все они также входят в состав кишечной микробиоты людей.

Любопытно, что в одних участках мозга (гиппокампе, префронтальной коре и чёрном веществе) этих бактерий было больше, чем в других. Кроме того, микроорганизмы были обнаружены в астроцитах – клетках мозга, которые располагаются вблизи гемато-энцефалического барьера. Это "пограничная зона" между кровеносной системой и центральной нервной системой.

Возможно, бактерии попадают в мозг по кровеносным сосудам, перемещаются по нервам из кишечника или же проникают в мозг через носовую полость.

Поскольку в изученных здоровых тканях отсутствовали признаки воспаления, учёные предположили, что микроорганизмы не причиняют вреда мозгу. Подтвердить или опровергнуть это помогут дальнейшие исследования.

Изображение срезов человеческого мозга. Слева от кровеносного сосуда можно заметить бактерии, вероятно, входящие в состав микробиоты мозга.

"Магнитный" мозг

Человеческий мозг содержит частицы, которые могут намагничиваться. Об этом известно с 1990-х годов, но до сих пор исследователи не могли установить происхождение таких частиц.

В ходе новой работы нейробиологи из Германии, изучавшие ткани мозга семи скончавшихся пациентов, получили новые данные о загадочных частицах. Выяснилось, что во всех случаях они распределяются по мозгу одинаково, скапливаясь в одних и тех же участках, а именно, в мозжечке и стволе мозга. Это наиболее "эволюционно древние" области.

Также было показано, что в большинстве других частей мозга присутствуют те же частицы, но в меньших количествах.

Исследователи полагают, что магнитные частицы не являются следами загрязнения окружающей среды, поскольку тогда у разных людей их количество и распределение должны были бы отличаться. Более вероятно, что эти частицы нужны организму для каких-то "биологических целей", заявили исследователи.

Отмечается, что у многих животных в мозге также присутствуют магнитные частицы, и, вероятно, они связаны с навигацией. Более того, известно, что некоторые бактерии способны к магнитотаксису – движению, связанному с реакцией клетки на магнитное поле. Такие бактерии мигрируют вдоль линий магнитного поля Земли.

Сейчас учёные пытаются установить, каковы функции частиц, найденных в мозге человека, и к какому конкретному типу они относятся. Есть предположение, что они представляют собой соединение под названием магнетит (Fe3O4).

Ген древнего вируса одарил людей "мышлением высшего порядка"

От 40 до 80% человеческого генома состоит из генов, оставленных нам в наследство вирусами после множественных "вторжений". И, как недавно выяснилось, один из таких вирусов наградил людей особым геном под названием Arc.

Было установлено, что фрагменты древней вирусной ДНК играют важнейшую роль в коммуникации между клетками, которая необходима для "мышления высшего порядка", присущего людям.

В частности, вирусный ген Arc обеспечивает "упаковку" генетической информации и её передачу от одного нейрона другому. Также этот ген помогает клеткам перестраиваться с течением времени. А вот сбои в его работе чреваты неврологическими нарушениями и аутизмом.

Фрагменты древней вирусной ДНК играют важнейшую роль в передаче данных между нейронами.

Молодые клетки старого мозга

Человеческий организм постоянно производит новые клетки и избавляется от старых. Однако ранее считалось, что такой "клеткооборот" не происходит в стареющем мозге.

В 2018 году учёные опровергли эту версию, представив убедительные доказательства того, что "пожилой" мозг на самом деле способен создавать новые клетки.

Изучив ткани мозга 28 пациентов, скончавшихся в возрасте от 14 до 79 лет, исследователи обнаружили в тканях "старых" и "молодых" образцов примерно одинаковое количество новых, ещё не полностью созревших клеток. В частности, такие клетки были найдены в гиппокампе – участке, отвечающем за обучение, память и формирование эмоций.

Также специалисты заметили, что в "пожилом" мозге присутствует меньше новых кровеносных сосудов и связей между клетками, что объясняет возрастные изменения.

Кстати, эта работа опровергла выводы другой, опубликованной буквально на месяц раньше. В ней учёные сообщали, что в зрелом возрасте гиппокамп не создаёт новых клеток. Такое расхождение данных может объясняться тем, что в более ранней работе рассматривались образцы тканей, собранные у людей с различными заболеваниями, включая эпилепсию. Кроме того, на результаты подобных исследований могут влиять способы консервации и хранения тканей.

Мозг "съёживается" во время стресса

Плохая новость для людей, которые постоянно испытывают стресс: из-за такого состояния может уменьшаться объём мозга.

Сравнивая данные более двух тысяч здоровых людей среднего возраста, исследователи из США обнаружили, что у пациентов с более высоким уровнем "гормона стресса" кортизола объём мозга, как правило, чуть меньше, чем у людей с нормальным количеством этого гормона. Более того, тесты показали, что у людей в состоянии стресса ухудшается память.

Авторы работы уточняют, что на данном этапе лишь отследили взаимосвязь, о причинах и последствиях говорить пока рано.

Впрочем, все эти открытия – ещё одна причина оградить себя от стресса. Для этого эксперты советуют наладить режим сна, отомстить кукле вуду своего босса или удалиться из социальных сетей.

Высокий уровень гормона стресса кортизола связали с уменьшением объёма мозга и ухудшением памяти.

"Шумовой фильтр" мозга

Если бы каждый наш шаг отдавался в голове, люди, вероятно, давно сошли бы с ума от бесконечного "топ-топ-топ". Но, к счастью, наш мозг обладает "настройками шумоизоляции".

Открытие было сделано в ходе изучения мозга мышей. Оказалось, орган создаёт своего рода шумовой фильтр, привыкая к определённым звукам вроде шагов. Происходит это благодаря особым "сцеплениям" клеток моторной коры и слуховой коры мозга. Первая отвечает за планирование и выполнение движений, вторая – за восприятие звуков.

Клетки моторной коры передают клеткам слуховой коры команду блокировать собственные сигналы. Таким образом в отдельных случаях восприятие звука как бы приглушается.

Учёные полагают, что такой "шумовой фильтр" необходим животным для защиты: не отвлекаясь на звук собственных движений, они могут услышать приближение хищника.

Авторы работы уверены, что мозг людей также способен создавать подобную "шумоизоляцию". Аналогичные механизмы, к слову, уже были описаны ранее. К примеру, мозг спортсменов "отключает" защитные рефлексы, которые в противном случае не позволили бы телу выполнить опасные движения (вроде головокружительных вращений фигуристов).

Нейробиологи не исключают, что нарушения работы "шумового фильтра" могут быть связаны с различными симптомами психических заболеваний, например, слуховыми галлюцинациями при шизофрении.

Психоактивные вещества могут менять структуру нейронов

Исследуя клетки мозга, выращенные в лабораторных условиях, а также образцы тканей мозга животных, учёные установили, что психоделики могут изменять структуру нейронов. Если аналогичные процессы происходят у людей, это может означать, что такие вещества потенциально могут помочь в лечении пациентов с определёнными нарушениями.

Дело в том, что у людей с депрессией, тревожным расстройством и схожими недугами нейроны префронтальной коры, которая связана с контролем эмоций, уменьшаются (как бы съёживаются). Снижается и количество нейронных отростков – дендритов, а также синапсов – контактов между нейронами.

Когда исследователи добавляли в чашки Петри, содержащие клетки мозга, психоактивные вещества (в том числе ЛСД и МДМА), они увидели, что количество дендритов и синапсов между ними увеличивалось. Также возрастало число дендритных шипиков – отростков, которые образуют синаптические соединения.

Такие результаты, конечно, не говорят о том, что при любых признаках депрессии нужно принимать психоделики. Однако принцип их действия может стать основой для создания новых терапевтических стратегий.

"Второй мозг" в кишечнике

Исследователи впервые описали действие нейронов так называемого второго мозга млекопитающих, который расположен… в кишечнике. Речь идёт об энтеральной нервной системе (ЭНС), которая состоит из сети нейронов и регулирует работу гладких мышц внутренних органов, обладающих сократительной активностью.

Примечательно, что это происходит без каких-либо инструкций со стороны "фактического" мозга. Хотя нейроны кишечника связаны с нейронами центральной нервной системы, ЭНС всё-таки действует автономно. И это единственный внутренний орган, который имеет такие способности.

Исследования "второго мозга" мышей показали, что он довольно "умён". По словам учёных, они зафиксировали всплески активности нейронов ЭНС, которые имеют чёткую ритмику. Популяция "кишечных" нейронов запускает работу миллионов клеток гладких мышц, причём их сокращение имеет ту же самую частоту, что и всплески нейронной активности.

Отметим, что до этого не было известно, как нейроны ЭНС обеспечивают ритмичные сокращения кишечника. Поэтому авторы работы полагают, что новые данные можно будет использовать как контрольный шаблон, чтобы выявлять дисфункции кишечника и изучать их модели.

Новый участок мозга

Редакция проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) предлагает вспомнить ещё об одном важном открытии в области нейробиологии, а именно, об обнаружении нового участка человеческого мозга.

Эндорестиформное ядро – так австралийские исследователи назвали недавно открытую крошечную область. Она располагается в нижней мозжечковой ножке, которая объединяет сенсорную и моторную информацию, контролируя нашу осанку, равновесие и мелкую моторику. Специалисты предполагают, что эндорестиформное ядро может быть вовлечено в контроль мелкой моторики.

Примечательно, что другие млекопитающие, в том числе нечеловекообразные приматы, лишены этого участка мозга. В ближайшее время специалисты намерены подробнее изучить мозг шимпанзе, чтобы узнать, имеют ли гоминиды эндорестиформное ядро. Хотя нейробиологи признаются, что сомневаются в этом и считают открытый участок мозга уникальным для людей.

Ожидается, что дальнейшее изучение нового участка мозга – его функций и их нарушений – поможет создать новые стратегии лечения и препараты от множества заболеваний, включая болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз (болезнь моторных нейронов).

Учёные разглядели эндорестиформное ядро благодаря окрашиванию тканей ферментом под названием ацетилхолинэстераза.

Напомним, что ранее мы рассказывали о самых важных научных достижениях 2018 года по версии журнала Science. Также авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали про выбор редакции журнала Nature, которая представила имена десяти учёных, больше всего удививших научный мир в уходящем году.