Из чего состоят разные мозги?
Мозг - это самый сложный орган, который когда-либо существовал. Мозг управляет важными функциями организма, такими как поддержание нормального сердцебиения и дыхания. Он управляет движением ваших глаз по странице, когда вы читаете эту статью, он использует чернила на странице для создания слов, связывает эти слова с понятиями в вашей памяти и создает новые понятия по мере того, как вы учитесь. Кроме того, мозг - это та часть вашего тела, которая приняла решение прочитать эту статью в первую очередь. У разных животных мозг очень отличается. Есть большие и маленькие мозги, гладкие и морщинистые, мозги, в которых одни части больше других. Как устроены эти мозги? Как они стали настолько отличаться друг от друга и почему это имеет значение?
Животные имеют общую эволюционную историю
Мозг есть, конечно, не только у людей. Почти у всех животных есть нервная система того или иного типа (только у губок ее нет). Мозг разных животных в чем-то отличается, но во многом схож. Это связано с тем, что все живое на планете имеет общую историю: все животные произошли от общих предков, поэтому они унаследовали некоторые характеристики от этих предков. Это похоже на брата и сестру, которые похожи, потому что у них одинаковые родители, на двоюродных братьев и сестер, у которых одинаковые бабушки и дедушки, на троюродных братьев и сестер, у которых общие прабабушки и прадедушки, и так далее. У всего живого в далеком прошлом были общие пра-пра-прадедушки и пра-прабабушки.
Мы можем использовать эти сходства и различия между животными, чтобы объединить их в группы. У двух птиц - орла и попугая - больше общего, чем у орла и обезьяны. И они более близкие родственники. В семье это можно сравнить с тем, что брат больше похож на сестру, чем двоюродный брат на брата. У брата и сестры одни и те же родители, а у двоюродного брата - только общие бабушка и дедушка, причем более дальние. Тем не менее, все млекопитающие имеют шерсть и производят молоко, чтобы выкормить потомство. У каждой птицы есть перья и она откладывает яйца. И это сходство между близкими родственниками проявляется и в их мозге.
У каждого вида есть свои привычки: обезьяна прыгает с ветки на ветку, пока не найдет фрукт, который можно съесть, летучая мышь летает в темноте ночи между деревьями, кит плавает в открытом океане. Поскольку мозг этих животных помогает им выполнять все эти задачи, мы могли бы предположить, что их мозг будет очень разным. Но оказалось, что основные части мозга и связи внутри него у всех млекопитающих практически одинаковы. Такое сходство в строении мозга объясняется общей историей эволюции.
На самом деле, если положить мозги разных млекопитающих рядом друг с другом, сходство легко заметить. Несмотря на то что мозги различаются по размеру и складкам, у всех них есть одинаковые части. У всех этих мозгов есть кора головного мозга, мозжечок и ствол мозга (см. рис. 1В). Кроме того, все мозги состоят из одних и тех же клеток: нейронов, глиальных клеток и клеток, из которых состоят капилляры (мелкие кровеносные сосуды), по которым кровь поступает в мозг (рис. 1А). Нейроны передают информацию другим нейронам через свои отростки, через соединения, называемые синапсами. Глиальные клетки бывают трех видов. Микроглия - это иммунная система мозга. Олигодендроциты обвивают ветви нейронов и заставляют информацию быстрее перемещаться от одного нейрона к другому. Астроциты выполняют множество функций, поддерживая порядок - от помощи нейронам в создании синапсов до обеспечения их питательными веществами.
Существует ли только одно правило построения мозга?
Даже если части мозга одинаковы, это не значит, что мозг одинакового размера состоит из одинакового количества клеток каждого типа. Неверно также, что больший мозг всегда состоит из большего количества клеток, чем меньший.
Мы можем подумать об этом на примере. Представьте, что вы получаете два мозга одинакового веса, но принадлежащих разным видам. Именно это мы видим на рисунке 2: мозг макаки-резуса и мозг капибары (капибара - самый крупный из ныне живущих грызунов, похожий на гигантскую морскую свинку). Оба мозга весят около 80 г. Вы, вероятно, скажете, что в этих мозгах одинаковое количество нейронов, как и многие ученые. Примерно 10 лет назад большинство исследователей полагали, что в мозге одинакового размера должно быть одинаковое количество нейронов. Они считали, что в природе существует только один "рецепт" построения мозга и что все мозги устроены одинаково. Это также означало, что чем больше мозг, тем больше в нем нейронов.
Теперь мы знаем, что ни то, ни другое неправда. В 2005 году одна из нас (Сюзана) разработала новый метод, позволяющий подсчитать, из скольких нейронов состоит мозг [ 1 ]. В этом методе мозг растворяется в супе (вставка 1), начиная с недавно умершего мозга, который был обработан химическим веществом под названием параформальдегид (ПФА), чтобы сделать клетки более устойчивыми (если мозг не обработан ПФА, вы можете повредить его, просто прикоснувшись к нему). Если не использовать метод супа, а взять кусочек мозга и посчитать, сколько в нем клеток, можно насчитать клетки в том месте мозга, где много нейронов, и тогда можно подумать, что во всем мозге много нейронов. Но количество клеток не одинаково во всех частях мозга: в одних частях мозга больше нейронов, в других - меньше. Именно поэтому мы готовим суп из мозга: ведь тогда во всех каплях "супа" будет примерно одинаковое количество клеток, если хорошенько перемешать суп. Кроме того, поскольку в этом супе содержатся все клетки, из которых состояла исходная часть мозга, а возможно, и весь мозг (если вы не отделяли его части), то, посмотрев под микроскопом и посчитав клетки в небольшом кусочке "супа", мы можем получить представление о том, сколько клеток имеет весь мозг.
Блок 1. Как приготовить суп из мозга
Идея такова: мы хотим взять мозг и уничтожить все, чтобы получился суп, за исключением ядер клеток, из которых состоит мозг. Поскольку каждая клетка мозга имеет только одно ядро, если мы найдем количество ядер, то найдем и количество клеток, из которых состоит мозг.
Шаг 1: Поместите мозг в параформальдегид (ПФА) на несколько дней. Этот процесс называется фиксацией. PFA сделает мембраны ядер более прочными, поэтому они не разрушатся в дальнейшем.
Шаг 2: Отделите часть мозга, о которой вы хотите узнать. Затем нарежьте его на небольшие кусочки.
Шаг 3: Поместите нарезанную ткань мозга в "стакан для супа". Этот инструмент сделан из двух кусков стекла, тщательно изготовленных таким образом, что когда один из них находится внутри другого, пространство между стеклами очень маленькое (найдите в Интернете "измельчитель тканей", чтобы увидеть фотографии).
Шаг 4: Добавьте моющее средство, чтобы раздробить ткань. Используйте специальное моющее средство, которое не разрушит ядерную мембрану (помните, мы хотим сохранить их, чтобы можно было подсчитать ядра в супе).
Шаг 5: Перемещайте внутренний стакан вверх-вниз и вращайте его, чтобы раздробить ткань мозга. Это называется фракционированием. При трении этих двух частей стекла друг о друга кусочки мозга разбиваются на все более мелкие части, в итоге остаются только ядра клеток (их мы и считаем в микроскоп). Это похоже на приготовление сока: вы прижимаете мозг к стеклу, точно так же как фрукт прижимают к вращающейся развертке соковыжималки, чтобы извлечь из него сок.
Давайте снова возьмем в руки воображаемые мозги, на этот раз два мозга приматов, один из которых в два раза больше другого. Сколько нейронов будет в большем мозге? Ну, в данном случае примерно в два раза больше нейронов, чем в меньшем мозге. Если бы все мозги были построены одинаково, по единым рецептам, мы бы увидели то же самое у грызунов. Так, если бы мы взяли два мозга грызунов, один из которых был бы в два раза больше другого, мы бы ожидали, что в большем мозге будет в два раза больше нейронов, чем в меньшем. Но если вы проделаете это с реальными мозгами, то увидите, что в большем мозге грызуна меньше нейронов, чем ожидалось - меньше, чем в два раза больше нейронов в мозге, который в два раза больше. Это означает, что у грызунов и приматов разные правила построения мозга. Самое главное, если бы вы сравнили крупный мозг примата (например, мозг обезьяны) с таким же крупным мозгом грызуна (например, мозгом капибары), вы бы обнаружили, что в мозге обезьяны гораздо больше нейронов, чем в мозге грызуна.
Разные соотношения между размером мозга и количеством нейронов у грызунов и приматов означают, что при построении мозга в природе применяются разные рецепты, или "правила". Правило для приматов гласит: "Если у вас в 10 раз больше нейронов, то и мозг будет в 10 раз больше". Правило для грызунов гласит: "Если у вас в 10 раз больше нейронов, вы получите мозг, который будет в 45 раз больше". Разные правила означают, что мозг грызунов растет гораздо быстрее, чем мозг приматов, по мере накопления нейронов. Поэтому, не зная, что правила отличаются, можно предположить, что мозг примата имеет меньше нейронов, чем на самом деле. Но на самом деле в мозге примата гораздо больше нейронов, чем в мозге грызуна такого же размера. Чтобы убедиться в этом на примере реальных мозгов, вы можете посмотреть на примеры на рисунке 2.
Проверка и изменение правил
Если вы знаете правило, связывающее размер мозга с количеством нейронов, вы можете предсказать, сколько нейронов будет в мозге определенного размера в соответствии с этим правилом. Правила также покажут, какие пределы существуют для создания мозга.
В качестве примера можно привести мозг примата весом 1,5 кг, который, как и наш мозг, должен содержать 93 миллиарда нейронов, согласно правилу приматов. Наша лучшая оценка количества нейронов в среднем составляет 86 миллиардов нейронов [ 2 ]. Это довольно близко. Это говорит нам о том, что у нас мозг примата: мы и есть тот самый общий примат. Другими словами, по количеству нейронов наш мозг не является чем-то особенным по сравнению с мозгом наших ближайших родственников - обезьян и мартышек. У нас столько же нейронов, сколько должно быть у приматов с нашим размером мозга. Но поскольку мы являемся приматом с самым большим мозгом, у нас больше всего нейронов среди всех приматов.
Но что было бы, если бы мы были грызунами? Что, если бы вместо мозга примата весом 1,5 кг у нас был мозг грызуна весом 1,5 кг? Можно посчитать: в мозге было бы всего 19 миллиардов нейронов, что гораздо меньше наших 86 миллиардов, и мозг, вероятно, был бы способен на гораздо меньшее. Теперь давайте перевернем вопрос: насколько большим должен быть мозг грызуна, чтобы в нем было 86 миллиардов нейронов, как у нас? Ну, очень большим. Он должен весить более 30 кг! Этому воображаемому грызуну потребовалось бы тело весом более 80 тонн, чтобы нести в себе мозг такого размера - это столько же, сколько 20 слонов вместе, как показано на рисунке 3! Такой гигантский грызун никогда не смог бы существовать: его мозг был бы раздавлен под собственным весом (не забывайте, что мозг не имеет внутри себя структуры, поддерживающей его, как твердый скелет). Неудивительно, что такой огромный грызун никогда не появлялся в истории жизни.
Другие типы млекопитающих, изученные до сих пор, - летучие мыши, насекомоядные, плотоядные, сумчатые и китообразные - имеют много общего, но и много различий. Похоже, что у природы есть много разных рецептов, или правил, для построения мозга. Мозг очень разнообразен, так же как и разные виды животных внешне выглядят по-разному. Но именно у приматов больше всего нейронов в коре головного мозга, "думающей" части мозга, по сравнению с другими видами, имеющими мозг схожего размера. Это не значит, что в мозге приматов все по-другому. Помните, что у всех животных есть общие прадедушки и прабабушки с давних времен, и некоторые правила работы мозга являются общими. Вот только один пример: правило, связывающее количество глиальных клеток (помните их? см. рис. 1) с размером мозга, одинаково для всех групп млекопитающих. Поскольку это правило является общим для всех млекопитающих, мы считаем, что оно должно быть очень важным для того, чтобы мозг хорошо работал.
Вся информация о правилах работы мозга важна по многим причинам. Человеческий мозг - не самый большой из всех мозгов. Например, у самого крупного наземного млекопитающего, слона, кора головного мозга весит в два раза больше, чем у человека. Однако, поскольку мозг разных животных устроен по-разному, гигантская кора слона содержит лишь треть нейронов, которые есть в коре головного мозга человека [ 3 , 4 ]. Урок заключается в том, что размер может быть важен, но это далеко не все, когда речь идет о сравнении мозгов. Из-за разных "рецептов", которые природа использует для создания мозга, сравнивать мозг приматов с мозгом грызунов - все равно что сравнивать яблоки с апельсинами. Кроме того, если мы хотим узнать о способностях животного, количество нейронов должно иметь гораздо большее значение, чем размер мозга. Потому что нейроны - это клетки, которые обрабатывают всю информацию, получаемую мозгом, и превращают ее в действия. Так что больше нейронов - это, вероятно, лучше, по крайней мере, для способностей мозга - при условии, что мозг не становится слишком большим!
