Книга Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия - Роб Десалл

Если коротко, есть только некоторые связи. А если давать более развернутый ответ, то нужно рассмотреть понятие коннектома. Это относительно новый термин в области изучения мозга, и относится он к отображению аксональных синаптических связей в мозге. Образован термин благодаря привычке современных биологов добавлять суффикс – ом- к любым подходам, которые в природе располагают большим объемом данных. Один из способов – посмотреть на клеточную структуру мозга, как в случае с мозгом Генри Молисона, описанным в главе 10. Этот подход был использован для модельных организмов, имеющих мозг, поддающийся коррекции, таких как нематоды (C. elegans), и он требует, чтобы мозг (или первомозг – см. главу 2) этой нематоды был разрезан на сотни очень тонких участков, которые затем последовательно просматриваются в просвечивающем электронном микроскопе. Каждая секция фотографируется с увеличением так, чтобы можно было идентифицировать все нервные клетки. Затем фотографии совмещаются с помощью системы компьютерной визуализации, и различные нервные клетки могут отслеживаться и изображаться на графике. Если провести этот опыт полностью со всем мозгом, можно обнаружить связи всех видимых нервных клеток. В превосходном исследовании, сделанном в 1986 году, ученые смогли определить, что коннектом нематоды состоит из 279 клеток. Это около одной четверти от общего числа клеток, которых в этом крошечном червеобразном организме около тысячи. Кроме того, есть четко видимых 6393 синапса, соединяющие 279 клеток с 1410 соединениями этих нервных клеток с мышцами. Тем не менее этот примитивный червь чувствует свет, тактильные ощущения, запахи и вкус. Однако нет никаких доказательств того, что нематода обладает какой-либо кроссмодальной сенсорной способностью.

Этот подход действительно настолько утомителен, каким и представляется, однако он весьма информативен. Он дает сведения о коннектомах, а другие подходы рисуют их крупномасштабную картину. Методы, используемые для более широкой демонстрации коннектомов, включают МРТ и ДТМ (см. главу 15). Объединив информацию из сотен исследований в богатую базу данных, ученые попытались построить схему сети нейронных связей. Основным аналитическим инструментом, который они используют для построения коннектомов различных организмов, служит теория графов. В принципе каждая картина нервной системы – будь то реальный вид, наблюдаемый под микроскопом, или просто информация о связности, основанная на других наблюдениях, – может быть представлена в виде графа, который затем используется для анализа и интерпретации данных.

Граф – это просто математическое описание сети связей одной области мозга с другой. Места соединения называются узлами, и результирующий граф дает обширнейшую информацию. Объединить графы из разных источников – задача нетривиальная, поэтому подходы теории графов необходимы, чтобы понять колоссальное количество данных (big data)[56]. Теория графов подводит нас к трем очень интересным аспектам нейронных сетей: концентраторы (хабы), блоки (клубы) и сообщества. Концентратором называется узел или нейрон с высокой связностью; блок – это пучок нейронных связей более высокого порядка, чем общий фоновый уровень связей; сообщество – взаимосвязанный набор нейронов. Все три аспекта графов можно использовать, чтобы получить подробную картину связей в мозге различных организмов и вывести некоторые универсальные понятия о коннектомах.

Анализ коннектомов с применением теории графов показывает, что сообщества связей локализуются независимо от вида в определенных частях мозга. Этот паттерн означает, что кластеризация нейронов чаще всего происходит в локализованных пространственно-ограниченных областях мозга большинства млекопитающих. Некоторые связи выходят из этих сообществ, но преобладающее их количество происходит среди близких или соседних нейронов. Кроме того, сообщества могут быть связаны с определенными функциями, такими как рассмотренные ранее (см. главу 15) сенсорные области мозга. Существует также сохранение этих областей между относительно близкородственными видами, так что, например, мыши, обезьяны и люди демонстрируют некоторые очень похожие лимбические и когнитивные сети. Если ветви на древе жизни расходятся – к насекомым или даже к рыбам, эти сходства либо исчезают, либо их очень трудно обнаружить.

И все это означает, что по мере развития мозга по линии приматов (и по мере его увеличения) большая масса порождала более тесно связанные сообщества нейронов, что, в свою очередь, приводило к потенциалу специализированных функций локализованных сообществ. Мартийн ван ден Хьювел, Эдвард Буллмор и Олаф Спорнс, делая обзор коннектомов, предполагают, что сильная модульность структур, наблюдаемых в коннектоме, обусловила то, что сенсорная и моторная информация локализуется в кортикальной области. Кроме того, они считают, что по мере организации этого коннектома в хабы, блоки и сообщества это также способствовало увеличению латерализации мозга и эволюции специализированных нейронных функций, таких как язык. Стоит отметить, что приобретение высших когнитивных функций, которые делают нас тем самым видом, в который мы эволюционировали, скорее всего, не было бы возможным без этих общих правил кластеризации нейронных клеточных связей в коннектоме. И что касается кроссмодальных эффектов и синестезии, о которых я говорил в главе 15, по общему правилу образования коннектомов короткие нейронные пути более предпочтительны, чем длинные, и поэтому между сообществами образовалось больше связей, что и привело к кроссмодальным эффектам.

Однако это еще не все, потому что история не заканчивается простым наблюдением сходства. Есть также различия между людьми и другими млекопитающими, особенно другими приматами. Наиболее релевантными для обсуждения являются те, которые относятся к низшим приматам – макакам, к нашим ближайшим живым родственникам – шимпанзе и собственно к нам (рис. 16.3). Удивительным результатом сравнения коннектомов этих приматов с нашими коннектомами становится то, что в итоге возникают гипотезы, касающиеся высших когнитивных и поведенческих аспектов нашей эволюционной истории.

Рис. 16.3. Коннектомы человека, шимпанзе и макаки

Связи в мозге, претерпевшие эволюционные изменения, можно определить с помощью различных методов визуализации мозга, рассмотренных ранее (см. главу 15). Серое и белое вещество, две основные ткани мозга, где связи обладают решающим значением, имеют четкие различия у приматов. Белое вещество является белым по внешнему виду и состоит в основном из отростков нервных клеток, называемых аксонами, которые проходят через эту часть мозга и действуют как проводники к серому веществу. Серое вещество имеет розовато-серый цвет и организовано сложнее, чем белое, поскольку содержит другой вид отростков нервных клеток, называемых дендритами, а также концы аксонов, которые приходят из белого вещества. Концы аксонов образуют синапсы с дендритами. Серое вещество обычно находится во внешних слоях мозга, а белое вещество – ближе к внутренней части.