Четвертая лекция известного британского нейробиолога Сьюзен Гринфилд из цикла «Семь возрастов мозга», прочитанная в Королевском институте (The Royal Institution) в 1994 году, посвящена удивительному пути развития человеческого мозга от оплодотворения до зрелости и старости. На глазах у молодой аудитории исследователь раскрывает механизмы клеточной миграции, синаптической пластичности и автономии нервной системы, объясняя, почему человеку требуется так много времени, чтобы вырасти. Демонстрируя живые эксперименты и клинические случаи, лектор доказывает, что наш мозг формируется не только генетикой, но и непрерывным взаимодействием с окружающей средой.
👶 От младенческих рефлексов к осознанному контролю 1:27
Человеческий младенец рождается на свет гораздо более беспомощным, чем детеныши любых других живых существ, и требует длительной заботы со стороны старших. Сьюзен Гринфилд начинает лекцию с демонстрации шестинедельного младенца Дэнни, чтобы показать, что даже на начальном этапе жизни у человека есть базовые механизмы выживания — врожденные рефлексы. Малыш демонстрирует так называемый шагающий рефлекс при поддержке взрослых, а также хватательный рефлекс и рефлекс Бабинского, при котором пальцы ног поджимаются или выгибаются при раздражении стопы. Эти автоматические реакции служат для врачей важным показателем того, что нервная система ребенка находится в рабочем состоянии.
Взрослые люди часто ошибочно полагают, что полностью избавились от рефлексов и действуют исключительно осознанно. Однако рефлекс определяется как любое действие организма, не требующее сознательного мышления. Помимо знаменитого коленного рефлекса, у взрослых сохраняются мощные вегетативные защитные реакции. Лектор демонстрирует это на примере юной волонтерки Кэтрин, подключив ее к датчику пульса. Когда за ее спиной раздается неожиданный громкий хлопок, ее пульс мгновенно подскакивает со спокойного уровня до 130–137 ударов в минуту. Кэтрин не приходилось сознательно давать команду своему сердцу биться быстрее; ее тело отреагировало на угрозу чистым автоматическим рефлексом, вернувшись в норму лишь спустя некоторое время.
🧬 Зарождение жизни и этапы эмбрионального развития 5:54
Путь формирования этой сложнейшей системы начинается в момент оплодотворения, когда из множества сперматозоидов лишь один проникает внутрь яйцеклетки, после чего доступ для остальных навсегда закрывается. С этого мгновения генетическая судьба человека определена: 23 хромосомы от отца и 23 от матери объединяются в набор из 46 хромосом. Пол будущего ребенка зависит исключительно от отца: материнский организм всегда предоставляет X-хромосому, тогда как отцовский сперматозоид может нести либо X (что приведет к рождению девочки), либо Y (что сформирует мальчика).
Оплодотворенная яйцеклетка, называемая зиготой, запускает процесс стремительного деления клеток. Хронология раннего эмбриогенеза включает следующие стадии:
- Через 30 часов происходит первое деление клетки, которое затем повторяется многократно.
- Через 5 дней формируется полый клеточный шарик, состоящий примерно из 100 клеток.
- К 18-му дню клетки уплощаются в эмбриональный диск, разделенный на три специализированных слоя, а сам зародыш имплантируется в матку.
Верхний слой этого диска предназначен для формирования будущей нервной системы. В течение нескольких дней плоская клеточная масса образует желобок, который постепенно углубляется и замыкается в нейральную (нервную) трубку. Именно из этой трубки к 21-му дню развития берет начало весь спинной и головной мозг человека. На стадиях 35, 45 и 65 дней очертания эмбриона меняются: передняя часть трубки изгибается, формируя узнаваемые утолщения, которые со временем превращаются в спинной мозг, мозжечок и кору больших полушарий. К шести месяцам поверхность мозга выглядит уже сформированной, но остается гладкой, а к девяти месяцам на ней появляются характерные извилины (конволюции), значительно увеличивающие полезную площадь поверхности для размещения нейронов.
🚀 Великое переселение клеток: миграция и агрегация 11:03
Развитие мозга базируется на двух важнейших фазах: миграции (перемещении) и агрегации (объединении) клеток. Идея того, что клетки мозга способны активно передвигаться, кажется удивительной, ведь в зрелом органе они жестко зафиксированы. Однако в развивающемся мозге нейроны способны перемещаться со скоростью до 170 микрон (тысячных долей миллиметра) в час.
В качестве путеводных рельсов нейроны используют вспомогательные клетки — глию (от греческого слова, означающего «клей»). Глиальные клетки не передают электрические сигналы, но превосходят нейроны численностью в соотношении 10 к 1 и выполняют важнейшую поддерживающую функцию. Они вытягиваются в своеобразный «монорельс», цепляясь за который, молодые нейроны буквально проскальзывают вперед с помощью ложноножек. Уникальные архивные кадры из чашки Петри наглядно демонстрируют этот непрерывный живой процесс, опровергающий, по мнению Гринфилд, популярное сравнение человеческого мозга со статичным компьютером.
Точные сигналы, заставляющие нейрон сойти с глиального «монорельса» на нужной «станции», до сих пор остаются научной загадкой. Однако, добравшись до места назначения, клетки приступают к агрегации — объединению в группы на основе молекулярных маркеров распознавания на их поверхности. Это приводит к четкой компартментализации мозга на зоны: кору, ствол мозга, мозжечок и другие структуры, где каждая группа клеток имеет свой профиль, форму дендритов, тип генерируемого электричества или используемый химический нейромедиатор.
Нарушение этого сложного процесса ведет к тяжелым патологиям. В норме главные выходные клетки мозжечка — клетки Пуркинье — выстроены в строгую линию, подобно тщательно посаженным цветам на грядке. Но при генетической мутации у так называемых мышей-виверов (weaver mutant) глиальный каркас отсутствует. В результате клетки Пуркинье оказываются хаотично разбросанными и повернутыми боком, что приводит к грубейшему нарушению координации движений животного.
🧠 Борьба за выживание нейронов и сила пластичности 20:41
К моменту рождения в положенный девятимесячный срок объем мозга младенца составляет около 350 кубических сантиметров, что сопоставимо с мозгом шимпанзе. Однако человеческий мозг продолжает расти с колоссальной скоростью: на пике развития в нем формируется до четверти миллиона (250 000) новых нейронов в минуту. Физиологически мы рождаемся с точно таким же потенциалом мозга, какой имел кроманьонец 30 000 лет назад. Ребенок древнего человека, попав в современный мир, смог бы так же успешно освоить компьютерные игры, поскольку ключевую роль играет не врожденная предопределенность, а взаимодействие с обогащенной средой.
Одиночный нейрон сам по себе бесполезен, поэтому клетки начинают активно протягивать длинные кабели — аксоны — к своим целям. На конце каждого растущего аксона находится конус роста (growth cone) — непрерывно активная, пульсирующая структура, напоминающая кончики пальцев, которая «прощупывает» окружающую среду в поисках нужного контакта.
Взаимодействие нейронов с мишенью строится по жесткому эволюционному принципу:
- Успешный аксон, добравшись до целевой клетки, получает от нее особый химический сигнал.
- Этот химический фактор транспортируется обратно в тело нейрона и навсегда отключает встроенный в него «переключатель самоубийства» (suicide switch).
- Если нейрон не успевает установить контакт с мишенью, он не получает спасительного вещества и погибает.
Нервная система демонстрирует поразительную пластичность и адаптивность. В эксперименте с лягушками при повреждении половины сетчатки глаза здоровые нейроны из оставшейся части не оставляют пустующую зону мозга бесхозной, а вторгаются на свободную территорию, полностью перестраивая карту связей. Аналогично у новорожденных мышей, потерявших один ряд важных для осязания вибрисс (усов), нейроны от соседних усов расширяют свое представительство в мозге, занимая освободившуюся площадь.
К сожалению, этот же механизм может сработать во вред, что подтверждается трагической историей маленького итальянского мальчика. В младенчестве ему на короткий, но критический период развития забинтовали один глаз. Поскольку в мозг от этого глаза не поступало сигналов, нейроны от второго, здорового глаза заполнили все свободные корковые территории. Когда повязку сняли, первому глазу просто не осталось места для создания связей, и ребенок навсегда ослеп на него, несмотря на абсолютное физическое здоровье самого органа зрения. Нейроны обязаны работать: чем интенсивнее они функционируют, тем прочнее их контакты.
⚙️ Автономная нервная система: внутренний регулятор организма 34:24
По мере взросления движения человека превращаются из рефлекторных в осознанные и волевые. Годовалый Себастьян на сцене наглядно демонстрирует способность координировать зрение и моторику: он целенаправленно берет молоток, манипулирует предметами и пытается совершать тонкое пинцетное движение (захват указательным и большим пальцами). Подобная моторика становится возможной примерно к 8–9 месяцам жизни, когда нервные волокна покрываются изолирующей оболочкой — миелином.
Параллельно с волевой активностью внутри тела работает скрытый от нашего сознания механизм — автономная (вегетативная) нервная система. Лектор сравнивает ее с механическим регулятором парового двигателя, который автоматически поддерживает стабильные обороты в безопасной зоне. В организме человека вегетативная система без участия мысли контролирует дыхание, кровяное давление и частоту сердечных сокращений. На примере волонтера Роберта Гринфилд демонстрирует зрачковый рефлекс: в темноте зрачки расширяются, но при вспышке яркого света автономно сужаются, защищая сетчатку без всяких сознательных усилий со стороны человека.
Автономная нервная система имеет два основных режима работы, унаследованных от древних предков:
- Режим мирного времени (отдых и пищеварение): активируется, когда человек расслаблен, направляя ресурсы на переваривание пищи и снижая потребление кислорода.
- Режим военного времени (бей или беги / fight or flight): включается при угрозе или на охоте; при этом резко учащается пульс, расширяются дыхательные пути для эффективного насыщения кислородом и усиливается потоотделение для охлаждения мышц.
👫 Мужской и женский мозг: мифы, факты и статистика 39:35
Генетический пол начинает влиять на структуру мозга еще в утробе матери, начиная с 9-й недели беременности. Вопрос о различиях между мужским и женским мозгом неизменно вызывает бурные дискуссии. Сьюзен Гринфилд признает, что, взглянув на отдельный изолированный человеческий мозг, невозможно определить, кому он принадлежал — мужчине или женщине. Однако при масштабном статистическом сравнении выявляются закономерности: мужской мозг в среднем крупнее (поскольку мужчины физически крупнее женщин), а у женщин отмечается относительно большая толщина мозолистого тела (corpus callosum) — плотного пучка волокон, служащего магистралью для обмена информацией между правым и левым полушариями.
В поведении детей также заметны различия: мальчики чаще проявляют физическую агрессию, а девочки предпочитают игры с куклами. По мнению лектора, вопрос о том, обусловлены ли эти склонности процессами внутриутробного развития или же они продиктованы исключительно культурным воспитанием, остается предметом научных споров.
Для иллюстрации межполовых различий в когнитивных задачах Гринфилд проводит два экспресс-теста со школьниками. В первом задании (тест на определение мениска жидкости в наклоненной бутылке) 14-летние подростки должны нарисовать линию уровня воды. Теоретически считается, что мальчики справляются с пространственными задачами лучше, однако в данном тесте безупречный результат показала именно девочка Изабель, нарисовавшая линию строго параллельно полу. Лектор подчеркивает, что этот случай демонстрирует, почему в науке необходима строгая статистика на больших группах людей, а не единичные обобщения. Во втором тесте на скорость мелкой моторики среди 12-летних детей девочкам нужно было быстрее разложить цветные блоки по штырькам за 30 секунд; здесь юные участницы слегка опередили мальчиков (14 и 16 очков), что совпало с общими статистическими прогнозами о более высокой гибкости пальцев у женщин.
⏳ Зрелость, старение и скрытые преимущества пожилого возраста 47:41
Физическая и репродуктивная зрелость человека наступает примерно к 16 годам. Примечательно, что с точки зрения количества нервных связей этот процесс напоминает не столько строительство, сколько работу скульптора: мозг непрерывно отсекает лишнее. Пик плотности синапсов приходится на двухлетний возраст, после чего начинается процесс «скульптурирования» — к 16 годам человек теряет до 50% своих первоначальных нейрональных соединений. Многие нейроны рождаются с заложенной программой к отмиранию, так как только через синаптическую селекцию формируются уникальные, эффективные рабочие контуры мышления.
Окружающая среда оказывает колоссальное влияние на плотность этих контуров. Классический эксперимент с крысами-подростками из одного помета показывает драматическую разницу: животное, запертое в пустой клетке, имеет лишь примитивные стимулы для активности. Его собрат, помещенный в «обогащенную» среду с зеркалами, игрушечными слонами и лабиринтами, активно задействует нейроны для исследования территории. Подсчет синапсов доказывает, что у крыс из интересной среды количество межклеточных связей в мозге оказывается более чем в два раза выше. Любая активация мозга напрямую меняет его физическую архитектуру.
После 16 лет личность стабилизируется, но начинаются процессы увядания некоторых функций. Тесты на реакцию между 14-летней Кэрол и 44-летней Сьюзен Гринфилд подтверждают: с возрастом скорость ответа на сигналы снижается. Статистика Британской школы автовождения (BSM) также подтверждает, что 17-летнему подростку требуется значительно меньше часов практики для освоения навыка вождения, чем человеку в 27, 37 или 47 лет.
Тем не менее, по мнению Сьюзен Гринфилд, старение — это не исключительно негативный процесс. С годами у людей существенно улучшается словарный запас. Тяжелые недуги, такие как болезни Альцгеймера и Паркинсона — это конкретные патологии, а вовсе не обязательный финал для каждого человека. Благодаря достижениям медицины человечество радикально увеличило продолжительность жизни: если в 1900 году средняя ожидаемая продолжительность жизни составляла всего 47 лет, то к 1990 году она достигла 75 лет. По прогнозам, озвученным лектором, к 2020 году доля людей старше 65 лет должна составить до 20% населения. Пожилой возраст, как считает Гринфилд, — это время максимального расцвета индивидуальности и мудрости. История знает множество ярких примеров выдающейся активности в поздние годы:
- Мать Тереза в свои 80 лет продолжала колоссальную благотворительную миссию в Калькутте.
- Нельсон Мандела в возрасте за 70 лет возглавил новое демократическое государство после десятилетий тюремного заключения.
- Пабло Пикассо создавал выдающиеся шедевры живописи, будучи восьмидесятилетним старцем.
По словам Гринфилд, пожилой возраст является кульминацией развития уникального человеческого опыта, когда накопленные за всю жизнь синаптические связи создают неповторимую личность.
