Мозг долгожителя. 7 шагов к ясности ума, крепкой памяти и устойчивому вниманию

Все клетки мозга погружены в особую комфортную среду, внеклеточный матрикс (ВКМ). Это сеть из структурных и сигнальных молекул, которая заполняет пространство между клетками и обеспечивает их механическую поддержку, влияет на миграцию, деление и дифференцировку (взросление, специализацию) клеток в ходе развития.

ВКМ мозга включает в себя три основных компонента:

1. Гиалуроновая кислота – длинные линейные углеводные цепочки, образующие насыщенный водой гель, который служит основой матрикса.

2. Протеогликаны – особые белки с присоединенными к ним цепочками углеводов (глюкозаминогликанами). Они обеспечивают структурную целостность, удерживают воду, служат депо для факторов роста и других биоактивных молекул. Основные протеогликаны ВКМ мозга – это хондроитинсульфаты (версикан, бревикан, нейрокан, аггрекан) и гепарансульфаты (перлекан, агрин).

3. Фибриллярные (образующие длинные вытянутые нити) белки – коллаген, фибронектин, ламинин. Они образуют сложную трехмерную сеть, молекулярный каркас матрикса. Коллаген обеспечивает прочность и упругость матрикса, фибронектин участвует в прикреплении клеток к матриксу и друг к другу, ламинин играет роль в миграции и дифференцировке клеток.

Состав и структура ВКМ мозга сильно отличается от ВКМ других тканей. Например, в мозге практически отсутствует коллаген и фибронектин, зато много гиалуроновой кислоты и специализированных протеогликанов. Это связано с уникальными требованиями, которые мозг предъявляет к своему микроокружению. Благодаря этой особенности матрикса мозг имеет мягкую, студенистую консистенцию. То, что в мозге мало волокон коллагена и фибронектина, которые играют основную роль в жесткости матрикса, способствующей старению, на мой взгляд, дает ему больший потенциал для долголетия по сравнению с другими органами и тканями.

ВКМ создает специфическую среду вокруг нейронов и глиальных клеток, регулируя их форму, подвижность и функциональное состояние. Молекулы ВКМ могут связывать и предоставлять клеткам различные факторы роста, влияя на их дифференцировку и выживание.

Например, протеогликан аггрекан связывается с рецепторами на поверхности нейронов и регулирует рост аксонов и дендритов. Фрагменты протеогликана бревикана стимулируют рост отростков олигодендроцитов и образование миелина. Ламинин и коллаген IV служат подложкой для миграции нейробластов и глиобластов (клеток-предшественников нейронов и глии) в ходе развития мозга.

ВКМ служит также молекулярным барьером, ограничивающим излишнюю подвижность клеток. В зрелом мозге это стабилизирует положение нейронов и глии, препятствуя ненаправленному росту отростков. Поэтому не удивительно, что изменение состава ВКМ при нейродегенеративных заболеваниях, психических расстройствах, черепно-мозговых травмах может способствовать патогенезу.

ВКМ влияет на распространение нейромедиаторов и других сигнальных молекул в синаптических щелях и внеклеточном пространстве, определяя направленную передачу сигналов между клетками. Например, гиалуроновая кислота может связывать глутамат, ацетилхолин, ГАМК и другие медиаторы, изменяя их концентрацию в синапсах. Хондроитинсульфатные протеогликаны могут связываться с калиевыми каналами на оболочке нейронов, регулируя концентрацию К+ во внеклеточной среде и, тем самым, возбудимость нейронов.

Таким образом, ВКМ – это не просто инертный заполнитель, а активный фактор развития мозга и его функций. Он служит динамическим интерфейсом между клетками и во многом определяет то, как нейроны и глия взаимодействуют друг с другом.

Между кровью и мозгом существует гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) – высокоселективный фильтр, который защищает нервную ткань от потенциально вредных веществ (внешних нейромедиаторных молекул, факторов воспаления, иммунных клеток, инфекционных агентов и токсинов), циркулирующих в крови, и поддерживает постоянство внутренней среды мозга.

Анатомическую основу ГЭБ составляют эндотелиальные клетки (клетки стенок) капилляров мозга. В отличие от капилляров других органов, мозговые капилляры имеют эндотелий с рядом особенностей. Эти клетки соединены очень плотными контактами, которые препятствуют проникновению водорастворимых соединений через межклеточные промежутки, за исключением тех, для которых есть особые белки-переносчики. Также эндотелиоциты мозга имеют низкую проницаемость мембраны и цитоплазмы самих клеток, так как у них слабо развиты поры в оболочке и способность к микропиноцитозу (заглатывание отдельных молекул клеткой).

С внешней стороны капилляры оплетены отростками астроцитов, которые способствуют формированию барьерных свойств эндотелия и регулируют работу транспортных систем. Также в состав ГЭБ входит базальная мембрана из ВКМ, которая служит дополнительным фильтром.

Проницаемость ГЭБ избирательна. Низкомолекулярные, не имеющие заряда, жирорастворимые вещества (H2, О2, СО2, этанол, никотин и др.) могут проходить через липидный бислой оболочки клетки. Транспорт заряженных, водорастворимых соединений ограничен и требует специальных механизмов – избирательных белков-переносчиков и рецепторопосредованного транспорта через эндотелиальные клетки. Глюкоза, аминокислоты, нуклеозиды (кирпичики ДНК и РНК), некоторые регуляторные пептиды (инсулин, трансферрин) переносятся в мозг с помощью специализированных белков-транспортеров. Более крупные белки, такие как антитела (инактивирующие инфекционный агент) и липопротеины (несущие клеткам мозга необходимые жиры и холестерин), могут проходить через ГЭБ путем эндоцитоза – попадания в барьерные клетки внутри пузырьков, отпочковывающихся от оболочки клетки.

В то же время ГЭБ (если он не поврежден, конечно) надежно блокирует проникновение в мозг токсинов, патогенов и компонентов иммунной системы. Он также выделяет белки, которые активно выкачивают из мозга обратно в кровь многие ксенобиотики (лекарства, пестициды и др.)

Кора головного мозга считается «средоточием» интеллекта и разума у млекопитающих.

ГЭБ помогает поддерживать ионный гомеостаз (постоянство состава) мозга, препятствуя резким колебаниям концентрации ионов (таких как K+, Na+, Cl—, Ca2+, Mg2+ и другие), которые могут нарушить генерацию и проведение нервных импульсов. Также он удерживает в мозге нейромедиаторы и нейротрофические факторы (пептиды-регуляторы клеточного роста).

Проницаемость ГЭБ может меняться при различных патологических состояниях. При нейровоспалении активированная микроглия и астроциты выделяют цитокины (сигнальные молекулы, влияющие на клетки иммунной системы) и активные формы кислорода (свободные радикалы), которые повреждают плотные контакты между клетками ГЭБ и увеличивают внутриклеточный транспорт, что приводит к отеку мозга, нарушению работы нейронов. Хроническая дисфункция ГЭБ вносит вклад в развитие нейродегенеративных заболеваний, эпилепсии, рассеянного склероза.

С другой стороны, ГЭБ является серьезным препятствием для доставки в мозг лекарственных препаратов. Поэтому активно разрабатываются методы обратимого раскрытия барьера, соединения лекарств с носителями, узнаваемыми транспортными системами ГЭБ, липосомальными формами доставки.

Таким образом, мозг – это не просто совокупность нейронов, а сложнейшая многокомпонентная система, все элементы которой находятся в постоянном структурном и функциональном взаимодействии. Нейроны, глиальные клетки, внеклеточный матрикс и гематоэнцефалический барьер образуют единый комплекс, который обеспечивает развитие и работу центральной нервной системы.

Мозг человека в аспекте эволюции

Удивительно, но факт – люди не имеют ни абсолютного, ни относительного превосходства в размерах головного мозга среди млекопитающих. У китов, дельфинов и слонов самый большой мозг – до 10 кг; мозг человека имеет среднюю массу 1,35 кг. Если предположить, что абсолютный размер мозга имеет решающее значение для интеллекта, тогда киты или слоны должны быть умнее людей, а лошади умнее шимпанзе, что определенно не так.

Размер мозга по отношению к размеру тела имеет тенденцию уменьшаться с увеличением размера тела, в результате чего у мелких животных относительно большой, а у крупных – относительно небольшой мозг. У землероек мозг составляет 10 % или более от объема тела, в то время как у самого крупного млекопитающего (и современного животного), синего кита, мозг занимает менее 0,01 % тела. Кстати говоря, в этом контексте 2 % для человеческого мозга очень высоки, учитывая тот факт, что Homo sapiens принадлежит к довольно крупным млекопитающим. Если бы разум диктовался относительным размером мозга, то землеройки были бы самыми умными млекопитающими, что звучит довольно невероятно.

Тогда что же определяет степень ума?

В ходе эволюции наших предков произошло резкое увеличение площади поверхности коры головного мозга. Кроме того, среди млекопитающих с большим мозгом у приматов самая толстая кора – 3–5 мм, а у китообразных и слонов – удивительно тонкая (1–1,8 мм).

С увеличением объема коры плотность упаковки нейронов нередко уменьшается, но у приматов необычно высокая, а у китообразных и слонов – необычно низкая плотность упаковки. Все это подводит к тому факту, что человеческий мозг имеет наибольшее количество корковых нейронов (действительно, их около 15 миллиардов), несмотря на то, что человеческий мозг и кора намного меньше по размеру, чем у китообразных и слонов (10–12 миллиардов).

Таким образом, наилучшее соответствие между характеристиками мозга и степенью интеллекта у млекопитающих достигается за счет сочетания числа нейронов коры или мантии полушарий головного мозга, плотности упаковки нейронов, межнейронного расстояния и скорости проводимости в аксонах – факторов, обусловливающих способность к обработке информации. Эта способность совпадает с понятием «общий интеллект», который в значительной степени определяется эффективностью рабочей памяти и, соответственно, способностями к умственным манипуляциям.

Самый высокий общий интеллект среди известных живых существ обнаружен у людей, за которыми следуют человекообразные обезьяны, потом обезьяны Старого и Нового Света. У китообразных (самые умные из них – касатки) и слонов общая способность обработки информации намного ниже из-за более тонкой коры полушарий, низкой плотности упаковки нейронов и меньшей скорости аксональной проводимости.

Тогда зачем китам и слонам такой большой мозг, ведь его содержание очень энергозатратное? Как известно, на 90 % размер головного мозга определяется размерами тела животного. Поэтому одна из гипотез – это для того, чтобы координировать движения своего гигантского тела. Вторая более экзотическая – чтобы избежать переохлаждения мозга, ведь тенденция к его увеличению в эволюции совпала с наступлением ледникового периода.

Напротив, у врановых и попугаеобразных птиц очень маленькие и плотно упакованные нейроны в мантии больших полушарий и поэтому относительно много нейронов, что, несмотря на довольно малые объемы мозга, может объяснять их высокий интеллект. Развитие обменов коммуникативными сигналами между особями, скорее всего, послужило дополнительным драйвером развития интеллекта, тот же процесс, возможно, произошел у певчих и попугаеобразных птиц.

Только приматы (включая человека) имеют префронтальную кору полушарий в строгом смысле слова вместе с ее специфическими функциями, такими как контроль внимания, планирование действий, выбор действий и принятие решений. Соответственно, поражения гранулярной (зернистой) префронтальной области у приматов и человека имеют драматические последствия для упомянутых функций, чего не происходит у крыс, когда поражается лобная кора.

Особенностью лобной коры приматов является наличие гранулированной префронтальной области, которая характеризуется дополнительным четвертым слоем, содержащим множество мелких нейронов. Фронтальная кора других млекопитающих (например, грызунов) не имеет такой зернистой области. Кроме того, нейроны префронтальной коры головного мозга человека обладают более сложным ветвлением, увеличенным количеством аксонов и дендритных шипов на нейрон, что приводит к большему числу синапсов и более широким кортикальным колонкам (группа нейронов, расположенная в коре головного мозга перпендикулярно его поверхности) по сравнению с другими приматами. Нейробиологи интерпретируют эти показатели как причину резкого увеличения общей способности обработки информации префронтальной коры головного мозга человека.

Мозг человека потребляет около 20 % всей энергии организма, хотя составляет лишь 2 % от массы тела.

В настоящее время взаимно дополняют друг друга две концепции относительно эволюции высших когнитивных способностей у людей в сравнении с другими млекопитающими. Одна из этих концепций может быть названа «теорией непрерывности» в том смысле, что более высокие когнитивные способности людей и их нейробиологическая основа являются результатом общих эволюционных тенденций, обнаруженных у позвоночных, млекопитающих и в частности приматов. Эти тенденции привели к увеличению абсолютного и относительного размера мозга и к пропорциональному увеличению кортикального и, в итоге, лобного коркового объема. Таким образом, наибольшее количество кортикальных нейронов (особенно в лобной доле), наиболее эффективная их связность, обнаруживаются у людей.

Вторая концепция была названа мозаичной эволюцией мозга. В ходе эволюции человеческого мозга имели место специфические изменения, особенно в отношении префронтальной («предлобной») коры. Префронтальная кора стала непропорционально большой. Увеличение белого вещества, то есть длины аксонов и толщины миелиновой оболочки между префронтальной и височной корой, включая образование гиппокампа, с одной стороны, и префронтальной коры и полосатого тела – с другой привело к более высоким когнитивным и исполнительным/двигательным способностям.

Средняя масса мозга человека составляет около 1400 г, что примерно в 3 раза больше, чем у шимпанзе (400–500 г). При этом разница в размерах тела не так велика. Большой размер мозга, особенно неокортекса, позволяет человеку обрабатывать более сложную информацию и выполнять уникальные когнитивные функции.

У человека лобные доли, особенно префронтальная кора, значительно больше и сложнее по сравнению с другими приматами. Эти области отвечают за высшие когнитивные функции, такие как планирование, принятие решений, контроль импульсов, абстрактное мышление, социальное познание и язык.

Мозг человека обладает выраженной асимметрией полушарий (латерализация), то есть специализацией левого и правого полушарий на различных функциях. Например, у большинства людей левое полушарие доминирует в языковых функциях. У приматов латерализация выражена в меньшей степени.

У человека значительно более развиты области мозга, связанные с речью и языком, такие как зона Брока и зона Вернике. Это позволяет осваивать и использовать сложные языковые системы, что является уникальной способностью.

Мозг человека отличается высокой плотностью и сложностью нейронных связей, особенно в ассоциативных зонах коры. Это лежит в основе способности к обобщению, абстрагированию, символическому мышлению и воображению.

У человека хорошо развита система зеркальных нейронов, которые активируются при наблюдении за действиями других и при собственном выполнении этих действий. Это играет важную роль в обучении, имитации и эмпатии – способности понимать и разделять чувства других, что важно для социального взаимодействия.

Образование новых нейронов (нейрогенез) продолжается в некоторых областях мозга человека, таких как гиппокамп, на протяжении всей жизни. Это может быть связано с высокой пластичностью и способностью к обучению. У приматов нейрогенез у взрослых выражен слабее.

В мозге человека выше плотность и разнообразие глиальных клеток (астроцитов, олигодендроцитов), которые обеспечивают поддержку, питание и управление активностью нейронов. Особенно велика роль астроцитов, участвующих в синаптической пластичности и обработке информации.

Мозг потребляет большое количество энергии. Это связано с высокими энергетическими затратами на поддержание сложных нейронных сетей и когнитивных процессов.

Эти структурные и функциональные особенности мозга позволяют человеку демонстрировать уникальные когнитивные способности, благодаря которым возможны самосознание, целеполагание, становление моральных качеств, предрасположенность к культуре и творчеству – все это выделяет людей среди других приматов. Однако многие аспекты эволюции и работы человеческого мозга еще предстоит изучить более детально.

Таким образом, раньше интеллект в основном связывали с абсолютным или относительным (по отношению к массе тела) размером мозга. Затем на первый план выдвинули относительный размер предполагаемых «мест» интеллекта, таких как префронтальная кора головного мозга у приматов. Вкратце рассмотрим основные структурно-функциональные отделы мозга человека.

Большие полушария мозга (конечный мозг)

Кора больших полушарий – это наружный слой мозга, не просто так обладающий складчатой структурой. Благодаря извилинам и бороздам поверхность коры значительно увеличивается, что позволяет разместить больше нейронов. Это напрямую связано с интеллектуальными способностями человека.

Лобные доли коры головного мозга играют ключевую роль в формировании личности, способности к планированию, самоконтролю и принятию решений. Именно здесь формируются цели и желания. Например, когда человек решает почитать новую книгу или заняться спортом, за этот процесс отвечают лобные доли.

Теменные доли обрабатывают информацию от сенсорных систем, что позволяет ориентироваться в пространстве и понимать математику.

Височные доли связаны со слуховым восприятием и памятью. Они помогают нам узнавать и запоминать звуки, а также играют роль в понимании языка.

Затылочные доли отвечают за обработку зрительной информации. Благодаря им мы можем видеть цвета, формы и движения.

Обонятельная кора – специальный район «города» в мозге, отвечающий за восприятие и анализ запахов. Это место, где «живут» и «работают» нейроны, специализирующиеся на обработке обонятельной информации.

Путешествие запаха в мозг начинается с обонятельных рецепторов в носу, которые улавливают различные ароматы и передают информацию о них в мозг. Первая остановка на пути – обонятельные луковицы, расположенные прямо под лобными долями мозга. Это как диспетчерская, где сигналы от рецепторов сортируются и отправляются дальше.

А дальше – прямиком в обонятельную кору, которая находится на нижней поверхности лобных долей. Это небольшой район мозга, но он играет важную роль в нашей жизни. Здесь сигналы от обонятельных луковиц расшифровываются, и мозг определяет, что именно мы чувствуем – запах цветов, еды, парфюма или чего-то другого.

Но обонятельная кора не просто распознает запахи – она придает им эмоциональную окраску и связывает с памятью. У каждого из нас есть свои «обонятельные воспоминания» – ароматы, которые связаны с приятными (или не очень) событиями в жизни. Запах бабушкиных пирожков, аромат моря во время отпуска, даже специфический больничный запах – все это хранится в обонятельной памяти, за которую отвечают связи между обонятельной корой и другими областями мозга, такими как лимбическая система и гиппокамп.

Интересно, что обонятельная кора – одна из немногих областей мозга, где во взрослом возрасте происходит нейрогенез – образование новых нейронов. Ученые полагают, что это может быть связано с важностью адаптации к новым запахам в окружающей среде.

Еще одна особенность обонятельной системы – ее тесная связь с эмоциями и памятью. В отличие от других сенсорных систем (зрения, слуха), обонятельная информация поступает в лимбическую систему и гиппокамп напрямую, без «цензуры» со стороны таламуса. Обычно такая цензура отсекает от сознания лишнюю информацию, чтобы не переполнять его. Может быть, поэтому запахи так сильно влияют на настроение и ярко запоминаются.

А теперь представьте, что происходит в обонятельной коре, когда вы чувствуете какой-то запах. Миллионы нейронов активируются, как огни на рождественской елке, формируя уникальный «узор» активности. Этот узор и определяет, что именно вы почувствовали – запах розы, кофе или любимых духов. А другие области мозга, связанные с обонятельной корой, добавляют к этому ощущению эмоции и воспоминания, делая восприятие запаха субъективным и многогранным опытом.

Есть данные, указывающие на то, что обонятельная система может быть одной из первых областей мозга, затронутых при болезни Альцгеймера, и что нарушения обоняния могут быть ранним признаком этого заболевания, задолго до когнитивных проявлений болезни. Потеря обоняния нередко предшествует и болезни Паркинсона. Однако, конечно, не все случаи потери обоняния свидетельствуют о возникновении болезни Альцгеймера или Паркинсона, например, они часто случаются после гриппа или ковида.

Соматосенсорная кора – это как VIP-зона в мозге, которая занимается всем, что связано с ощущениями. Представьте, что тело – это большой датчик, который собирает информацию о том, что происходит вокруг: как касается кожи ветерок, какова температура чашки кофе в руке, как себя чувствует рука или живот, или как ноги ощущают землю при ходьбе. Вся эта информация собирается и отправляется прямиком в соматосенсорную кору.

Эта VIP-зона находится в задней части мозга и работает как суперпроцессор, который обрабатывает и анализирует все прикосновения, давление, боль, температуру и даже помогает понимать, в каком положении в пространстве находится тело. Благодаря ей мы можем отличить мягкое пушистое одеяло от гладкого холодного стекла и понять, когда нужно переставить ногу, чтобы не упасть.

Одна из особенностей соматосенсорной коры – это ее способность создать карту тела (кортикальный гомункулус), где каждая его часть имеет свое место. Забавно, что некоторые части тела, которые особенно хорошо чувствуют прикосновения (например, пальцы или губы), занимают на этой карте больше места, чем те, которые менее чувствительны. Это похоже на то, как на обычной карте соотносятся по площади города и деревушки.

Соматосенсорная кора – это центр управления ощущениями, который помогает нам взаимодействовать с миром и делает восприятие богаче и полнее.

Представьте, что тело – это большой оркестр, а двигательная кора – дирижер. Она решает, какие инструменты (то есть мышцы) должны играть, когда и как именно.

Двигательная кора находится в передней части мозга, в лобной доле. Это как командный пункт для движений.

Внутри нее есть несколько отделов, у каждого своя роль.

1. Первичная моторная кора отдает команды мышцам напрямую: «Сократись!», «Расслабься!» и так далее.

2. Премоторная кора планирует сложные движения и следит, чтобы все части тела работали слаженно.

3. Дополнительная моторная область решает, какое действие будет исполнено, и дает сигнал начинать.

В двигательной коре тоже есть «схема» тела, как будто нарисованный человечек. Каждой части тела отвечает свой «кружок» в коре. Но размер этих «кружков» зависит не от размера частей тела, а от того, насколько сложные и тонкие движения они выполняют. Например, для пальцев и языка «кружки» большие, потому что ими совершаются очень точные движения. А для спины или ног – маленькие, ведь их движения более простые.

Ассоциативная кора – как суперкомпьютер. Она получает информацию от всех органов чувств – зрения, слуха, осязания и других, и объединяет ее в единую картину.

Благодаря двигательной коре мы можем ходить, танцевать, рисовать, писать, говорить – в общем, делать все, что захотим. Она координирует свою работу с работой других частей мозга. Например, мозжечок поможет сделать движения точными и плавными, а сенсорные зоны дадут обратную связь о положении тела.

Если мозг – это большой город, то ассоциативная кора – его деловой центр. Здесь происходит вся главная работа, принимаются важные решения и рождаются идеи.

Благодаря ассоциативной коре мы воспринимаем мир целостно, а не как набор разрозненных кусочков.

Кроме того, ассоциативная кора – это хранилище памяти. Она записывает и сохраняет все наши знания и опыт, чтобы мы могли вспомнить их в нужный момент. Она также помогает связывать разные события и факты, находить между ними ассоциации и делать выводы.

Но самое главное – ассоциативная кора делает нас разумными существами. Она отвечает за мышление, способность рассуждать, решать сложные задачи и принимать решения. Она позволяет нам говорить, понимать речь других людей, читать и писать. И наконец, именно в ассоциативной коре рождаются творческие идеи и работает воображение.

Можно сказать, что разные части ассоциативной коры – как разные отделы большой корпорации. Лобная доля – это «топ-менеджмент», который планирует, контролирует и принимает ключевые решения. Теменная доля отвечает за «техническую поддержку» – обработку информации от органов чувств. Височная доля – «отдел кадров», управляющий эмоциями и памятью. А затылочно-височная область – это «дизайн-бюро», которое распознает лица и картинки и позволяет нам читать.