Мозг: прошлое и будущее - Алан Джасанов

Выразить сложность мозга наглядными цифрами и в самом деле очень и очень трудно. Самым очевидным было бы пересчитать клетки, но эти стандартные методы анализа тканей не позволяют установить точное число клеток во всем мозге. Поэтому бразильский нейрофизиолог Сузана Эркулану-Озель, поставив перед собой эту задачу, была вынуждена изобрести особую процедуру[133]. Ее лаборатория получает мозг недавно умерших испытуемых и при помощи сочетания едких химикатов и механического дробления превращает его в слизистую вязкую жидкость. После такого разрушения, как ни странно, сохраняется важная часть каждого мозга – ядра клеток, содержащие ДНК всех клеток; кроме того, по ядру можно определить, какая это была клетка – нейрон или глиальная. Затем исследователи вычисляют плотность ядер в заданном объеме слизистого вещества, полученного из мозга, и по ней определяют количество клеток, составлявших растворенный орган. Эркулану-Озель и ее коллеги при помощи этого метода установили, что в среднем человеческий мозг состоит из 171 миллиарда клеток, из которых примерно половина – нейроны[134].

Чтобы оценить количество синапсов, требуется гораздо более трудоемкая процедура. Ученые тщательно окрашивают образцы взятой посмертно ткани мозга металлическим красителем, который особенно хорошо пристает к синапсам. Затем ткань мозга рассекают на тонкие слои, каждый меньше тысячной доли миллиметра в толщину, и изучают срезы при увеличении в 50 тысяч раз под электронным микроскопом. Подсчитав таким образом синапсы в большом количестве репрезентативных срезов, ученые экстраполируют результат и получают среднее количество синапсов в отделах мозга, откуда были взяты срезы[135]. Такой процесс показывает, что в коре человеческого головного мозга может быть до 10 тысяч синапсов на каждый нейрон[136].

Что говорят такие количества клеток и синапсов о способностях мозга? Если мы ненадолго позволим себе согласиться с упрощенческой аналогией «мозг-компьютер» и представим себе, что каждый синапс сравним с компьютерным битом – переключателем, у которого есть две позиции, 1 и 0, в зависимости от того, активен синапс или неактивен, – получится, что мозг может хранить 100 тысяч гигабайт памяти, примерно столько, сколько нужно на 20 тысяч полнометражных фильмов в современном высоком разрешении (чтобы осознать масштабы, представьте себе, что к вам в голову целиком помещается «Netflix»). Но мозг – не жесткий диск, его обширный запас синапсов применяется в основном для передачи данных между клетками, а этот процесс меняет еще и силу каждого синапса. Многие синапсы задействуются и «обновляются» несколько раз в секунду. Так что держать в голове «Netflix» все-таки невозможно, но триллионы синапсов у вас в мозге способны обеспечивать куда более динамичные и разнообразные функции, чем устройство, способное хранить столько фильмов.

На уровне клеток и синапсов сложность мозга значительно нарастает из-за микроскопической Вселенной хитроумных элементов, составляющих каждую клетку. Каждая клетка несет 35 000 генов, которыми природа снабдила нас, людей. В разных структурах мозга профиль экспрессии генов (какие гены включены, а какие выключены) существенно разнится; у мышей одни лишь паттерны экспрессии генов позволяют нам идентифицировать более 50 смежных областей и подобластей мозга[137]. Каждая клетка мозга содержит также многочисленные органеллы, субклеточные структуры, которые выполняют задачи вроде хранения генетического материала и утилизации отходов. Среди органелл в мозге особенно распространены митохондрии, «клеточные энергоустановки»; они потребляют около 20 % всего запаса энергии, расходуемой организмом[138]. Если перейти на масштаб еще меньше, окажется, что в мозге содержится бесчисленное множество биоактивных молекул. Среди важных разновидностей этих молекул и около сотни нейромедиаторов и нейромодуляторов, о которых мы говорили в предыдущей главе, и крупные биологические молекулы, например, белки и ДНК, играющие в пределах каждой клетки весьма специфические роли. В сумме молекул в мозге больше, чем звезд во Вселенной, – их буквально миллиарды миллиардов миллиардов.

Однако многие нейрофизиологи скажут, что сложность мозга гораздо нагляднее видна не в количестве его компонентов, а во взаимодействиях между ними. В ведре воды молекул больше, чем в мозге, но поскольку все молекулы в ведре имеют одну и ту же скучную формулу H2O, в нем возможно лишь относительно небольшое количество взаимодействий нескольких конкретных типов. Биомолекулы мозга, напротив, обладают самыми разными структурами со множеством деталей и вступают в избирательные взаимодействия с определенными наборами других молекул в зависимости от их формы. Если каждый тип молекул в мозге обозначить точкой, а каждое взаимодействие – линией между парой точек, в результате получится огромный пушистый клубок пересекающихся линий, и для его интерпретации понадобится сложный вычислительный анализ.

Сложность молекулярных взаимодействий в клетках наблюдается во всех органах в организме, однако в мозге есть и дополнительный уровень сложности, характерный только для него, – это взаимодействия между клетками. Благодаря тоненьким аксонам и дендритам нейронов, а также влиянию астроцитов, которые запускают самые разные клеточные процессы по своим отросткам, клетки мозга способны дотягиваться и дотрагиваться до множества разных клеток одновременно. У отдельных нейронов таких отростков бывают сотни, и они действуют словно провода, передающие электрические импульсы. Аксоны, переносящие информацию из одной части мозга в другую, достигают нескольких сантиметров в длину и составляют светлую сердцевину мозга под корой – белое вещество. По некоторым оценкам, общая длина нервных волокон в белом веществе у нормальных взрослых превышает сотню тысяч километров – это в два с лишним раза больше окружности Земли, больше суммарной длины федеральных автострад на всей территории США[139]. Если же взять, к примеру, печень, мы обнаружим, что клеток в ней столько же, сколько в мозге, однако связи между ними значительно ограниченнее[140]. Клетки печени компактны и контактируют лишь с десятком непосредственных соседок в ткани. Они живут в эпоху до шоссе и телефонов по сравнению с клетками мозга, обитающих в эру Интернета.