Восстанавливаются ли нервные клетки?
«Нервные клетки не восстанавливаются» — это утверждение долгое время было общим местом как в науке, так и за её пределами. Даже далёкие от нейробиологии люди, советуя друг другу меньше нервничать, напоминали, что новых нервных клеток в мозге нам ждать неоткуда и нужно беречь те, что есть. Но впоследствии эта, казалось бы, незыблемая истина пошатнулась: нейробиологи заговорили о том, что нервные клетки восстанавливаются, пусть не везде и не очень быстро. Впрочем, сообщения о восстанавливающихся нервных клетках повторяются в научной литературе с завидной регулярностью, и может показаться, что специалисты сами не до конца в этом уверены. Чтобы понять, в чём они уверены, а в чём не очень, нужно вспомнить, что вообще означает восстановление клеток.
Многие клетки нашего тела обновляются довольно быстро. Например, эритроциты живут 100—120 дней, а клетки кишечного эпителия — 3—5 дней; разумеется, тут многое зависит от того, как себя чувствует организм, не страдает ли он от стресса, от каких-либо патологий. На замену погибшим клеткам приходят новые, происходящие от соответствующих стволовых клеток. У них много разновидностей, работающих в разных тканях и на разных этапах индивидуального развития. Большинство тканей и органов взрослого организма располагают стволовым ресурсом, за счёт которого можно восполнить плановые или внеплановые клеточные убытки. С мозгом не так: почти все нервные клетки взрослого мозга те же самые, которые были у него к моменту рождения. Для них нет (или почти нет) стволовых предшественников, из которых они могли бы появиться. Это значит, что на место погибшего нейрона новый нейрон не придёт.
Здесь нужно сделать несколько уточнений. Во-первых, под нервными клетками подразумеваются именно нейроны. В нервной системе есть и другие клетки, называемые глиальными, или просто глией. Они считаются вспомогательными, помогающими нейронам жить и работать, хотя некоторые глиальные клетки в своей помощи заходят настолько далеко, что буквально вмешиваются в то, как нейроны проводят импульсы. Глии в мозге примерно столько же, сколько нейронов, и её клетки во взрослом мозге обновляются.
Во-вторых, мозг растёт не только во время внутриутробного развития, но и после рождения и вообще меняется всю жизнь. Под влиянием разных факторов некоторые его зоны увеличиваются в объёме, некоторые уменьшаются. Но эти изменения происходят не за счёт активного появления новых нейронов, а за счёт тех, что уже есть. Как мы знаем, нейрон состоит из тела клетки и отходящих от него ветвящихся отростков, которые образуют синапсы — межклеточные соединения с отростками других нейронов. Синапсы то появляются, то исчезают, в зависимости от того, чем занят мозг и как он себя чувствует. Перемены во взрослом мозге обусловлены перестройками инфраструктуры отростков и синапсов, а также обслуживающих глиальных клеток. Но нейроны остаются теми же самыми.
В-третьих, споры о том, появляются ли новые нейроны во взрослом мозге или нет, касаются преимущественно млекопитающих. Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852—1934), один из основоположников современной нейробиологии, уже в начале XX века писал о новых нейронах в мозге «низших позвоночных, особенно амфибий и рептилий» как о хорошо установленном факте. Но он же был первым, кто заявил о неизменности клеток мозга зверей вообще и человека в частности — по крайней мере, неизменности в том смысле, что новых нейронов после рождения в их мозге не появляется. Это оставалось общепринятым мнением даже после того, как начали появляться данные о взрослом нейрогенезе у зверей.
Взрослый нейрогенез у животных
А появляться такие данные стали в начале 60-х годов прошлого века. Точкой отсчёта здесь стали работы нейробиолога Джозефа Альтмана и его коллег (среди которых в числе первых называют Гопала Даса, в то время аспиранта Альтмана в Бостонском университете). Они обнаружили в мозге крыс, морских свинок и кошек новые нейроны, образовавшиеся после рождения. Нейроны появлялись в разных местах — в мозжечке, в гиппокампе, в обонятельной луковице. Но если в мозжечке у крыс прирост нейронов был ограничен тремя первыми неделями жизни, то в гиппокампе и обонятельной луковице новые нейроны возникали всю жизнь, хотя и не так интенсивно, как после рождения. Иными словами, в некоторых зонах мозга имел место постнатальный нейрогенез, то есть нейрогенез, продолжающийся после появления на свет, и местами он продолжался до взрослого состояния. Отличия были не только между зонами мозга, но и между видами, то есть постнатальный нейрогенез у кошки, крысы и морской свинки имел свои особенности; очевидно, это было связано с тем, как развивается мозг у разных зверей во время и после внутриутробного развития.
Сначала нейробиологи встретили новость о постнатальном нейрогенезе весьма холодно. Отношение к нему стало меняться только с середины 1980-х, когда стало ясно, что первоначальные результаты по нейрогенезу у млекопитающих успешно воспроизводятся. К тому же известный нейробиолог Фернандо Ноттебом обнаружил взрослый нейрогенез у певчих птиц. Ноттебом изучал нейробиологические аспекты птичьего пения. У самцов объём «певчих» зон мозга больше, чем у самок, и к тому же меняется в течение года. Самцы поют активнее самок, и песни их в большей степени приурочены к сезону размножения. Изменения в мозге были связаны с изменениями в количестве клеток. Ноттебому и его коллегам удалось не просто показать присутствие новых нейронов — они выяснили, что у взрослого нейрогенеза есть функциональная роль, что новые нейроны встраиваются в нейронные цепи, влияя на память и обучение.
На самом деле трудно представить, что новые клетки смогут найти место в сложнейшей архитектуре мозга. Да, нейроны могут меняться, но они меняются с учётом того, где они находятся и с чем они соединены. Очевидно, что когда в мозге появляется новый нейрон, это не то же самое, когда в коже появляется новая эпителиальная клетка. Дело не только в том, сможет ли этот нейрон в принципе установить контакт с другими нейронами, но и в том, не нарушит ли он работу нейронных цепей, то есть не случится ли так, что с новым нейроном импульсы начнут идти слишком медленно или слишком быстро, или вообще не по адресу.
Эксперименты с певчими птицами как раз и показали, что новые нейроны успешно находят своё место в мозге, более того, они нужны для некоторых когнитивных функций. Похожие исследования впоследствии провели и с грызунами: у них новые нейроны активно общались со старыми, осваивая новые задачи и участвуя в памяти, обучении и регуляции настроения. На взрослый нейрогенез положительно влияла физическая активность, разнообразие в окружающей обстановке и возможность учиться чему-то новому; стресс же, наоборот, ощутимо подавлял взрослый нейрогенез.
Хотя нейрогенез наблюдали в разных мозговых участках, наиболее достоверно он изучен в гиппокампе и субвентрикулярной зоне. Гиппокамп — это парная структура в глубине мозга, один из главных центров памяти. Кроме того, он отвечает за ориентацию в пространстве (что опять же связано с памятью) и участвует в управлении эмоциями. Новые нейроны образуются в той части гиппокампа, которая носит название зубчатой извилины. Субвентрикулярная зона — это область, прилегающая к желудочкам мозга. Появляющиеся здесь клетки-предшественники нейронов мигрируют по специальному маршруту, который называется ростральным миграционным трактом, или ростральным миграционным потоком. По этому тракту они приходят в обонятельную луковицу, где и превращаются в настоящие, зрелые нейроны. Обонятельная луковица — часть мозга, непосредственно получающая сигналы от обонятельных рецепторов. Для млекопитающих обоняние крайне важно, и взрослый нейрогенез в субвентрикулярной зоне, очевидно, не даёт ему ослабнуть в связи с износом нейронов, обслуживающих передачу запаховой информации. (Нужно уточнить, что существует очень много разновидностей нейронов, и появляющиеся новые нейроны в гиппокампе и обонятельной луковице — это нейроны вполне определённых видов, но их названия и характеристики нам сейчас не очень важны.)
Львиная доля исследований взрослого нейрогенеза проводится на крысах и мышах — для них отработаны экспериментальные процедуры, их легко содержать в неволе и они всегда под рукой. Но и других млекопитающих на этот предмет тоже изучали, и сейчас мы знаем, что взрослый нейрогенез определённо есть у разных зверей, от летучих мышей до макак. И тут, наконец, пришла пора поговорить о человеке. Конечно, и мы, и макаки относимся к приматам, и если взрослый нейрогенез идёт у макак, то с большой долей вероятности мы можем обнаружить его и в человеческом мозге. Однако мозг человека — всё-таки не мозг макаки и уж тем более не мозг крысы.
Взрослый нейрогенез у человека
Как вообще можно узнать, что в мозге или каком-то другом органе появляются новые клетки? Можно пометить их ДНК. Если в делящуюся клетку попадёт нуклеотид с радиоактивным атомом, то у дочерней клетки ДНК будет испускать радиоизлучение, потому что при синтезе новой ДНК этот нуклеотид войдёт в её состав. Нуклеотид для метки можно использовать не радиоактивный, а химически модифицированный — его модификацию смогут распознавать специальные антитела. На них тоже будет сидеть своя метка, и тогда антитела начнут специфично связываться с меченым нуклеотидом в новой ДНК, а метка на самих антителах просигнализирует исследователям, что они что-то нашли в образце ткани. (Разумеется, в таких экспериментах есть специальная стадия, в которой образцы избавляются от лишних меченых молекул — нуклеотидов, не встроившихся в ДНК, и антител, не нашедших, с чем провзаимодействовать.) Вариант с антителами более надёжен, хотя в самых первых работах по постнатальному и взрослому нейрогенезу использовались радиоактивные субстанции.