В последние несколько десятилетий нейробиология достигла поразительных успехов, однако одна из важнейших частей мозга по-прежнему остается загадкой. Речь идет о мозжечке, получившем свое имя от латинского слова "маленький мозг" и расположенном в задней части мозга. И он совсем не является маленьким недоразумением: в мозжечке находится три четверти всех нейронов мозга, которые расположены почти в кристаллическом порядке, в отличие от запутанных сплетений нейронов в других местах.
В энциклопедиях и учебниках говорится о том, что функция мозжечка заключается в управлении движениями тела. Несомненно, мозжечок выполняет эту функцию. Но теперь ученые полагают, что это давно сложившееся мнение является поверхностным.
Об этом шла речь в ноябре в Вашингтоне, где проходило ежегодное собрание Сообщества нейробиологов - крупнейшая встреча нейробиологов в мире. Группа нейробиологов провела симпозиум, посвященный недавно открытым функциям мозжечка, не связанным с моторным контролем. Новые методы исследования доказывают, что помимо управления движением мозжечок регулирует сложные формы поведения, социальные взаимодействия, проявления агрессии, рабочую память, способность к обучению, эмоции и многое другое.
О связи между мозжечком и двигательной активностью было известно еще в XIX веке. Пациенты, получившие травму этой области мозга, испытывали очевидные трудности с сохранением равновесия и движением, что не оставляло сомнений в том, что она имеет критически важное значение для координации движений. За десятилетия неврологи детально изучили то, как уникальная нейронная система мозжечка управляет движением. Казалось, что теория о работе мозжечка не подлежит сомнению.
Затем, в 1998 году, в журнале Brain неврологи рассказали о широко распространенных нарушениях эмоционального и когнитивного развития у пациентов с повреждением мозжечка. Например, в 1991 году 22-летняя студентка колледжа упала во время катания на коньках; компьютерная томография выявила опухоль в мозжечке. После хирургического удаления опухоли она стала совершенно другим человеком. Способная студентка колледжа потеряла способность грамотно писать, выполнять математические вычисления в уме, называть обычные предметы или копировать простые схемы. Ее настроение стало подавленным. Она пряталась под одеялом и вела себя неподобающим образом, раздеваясь в коридорах и разговаривая как ребенок. У нее также нарушились навыки социального взаимодействия, включая распознавание знакомых лиц.
Этот и подобные случаи заставили исследователей задуматься. Считалось, что за все эти высокоуровневые когнитивные и эмоциональные функции отвечает кора головного мозга и лимбическая система. "В чем именно выражается такая роль мозжечка и как он ее выполняет, еще предстоит выяснить", прокомментировали они.
Хотя клинические исследования указывали на ошибочность общепринятого мнения, ведущие специалисты по-прежнему настаивали на том, что функция мозжечка заключается исключительно в контроле движений. "Это немного печально, потому что прошло уже 20 лет" с момента появления сообщений об этих случаях, отметил Диасину Фиораванте, нейрофизиолог из Калифорнийского университета в Дэвисе, который был одним из организаторов симпозиума.
По словам нейробиолога Стефани Рудольф из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, которая участвовала в симпозиуме вместе с Фиораванте, другие неврологи постоянно замечали у своих пациентов нейропсихические отклонения. Однако не было никаких анатомических доказательств того, как уникальная нейронная система мозжечка может регулировать психологические и эмоциональные функции, о которых сообщалось, поэтому клинические наблюдения оставались без внимания.
Благодаря тому, что теперь нам удалось лучше понять строение мозжечка, эти клинические наблюдения подтверждаются, а общепринятое представление о мозжечке становится ошибочным.
Высокоточная схема расположения нейронов
Система нейронов в мозжечке организована настолько точно и компактно, что в этой десятисантиметровой доле сосредоточено три четверти всех нейронов головного мозга. Основной тип нейронов в мозжечке, так называемые клетки Пуркинье, имеют разветвленное строение, подобно веерообразному кораллу, но при этом они более плоские и почти двухмерные. Ветви этого коралла - это дендриты нейрона, которые принимают входящие сигналы. Эти плоские нейроны расположены параллельно, как будто миллионы плоских кораллов уложены друг на друга в плотный пучок. От тысяч крошечных нейронов сквозь череду дендритов тянутся аксоны - провода мозга для передачи электрических импульсов. Они проходят перпендикулярно друг другу, как нити в ткацком станке. Каждый аксон соединяется с дендритами десятков тысяч клеток Пуркинье.
Благодаря такому уровню взаимосвязи 50 миллиардов нейронов мозжечка обладают удивительной скоростью интеграции. Эта уникальная для мозжечка схема способна обрабатывать огромное количество поступающих от органов чувств данных, чтобы регулировать движения тела. Плавные движения балерины, танцующей на сцене, требуют от мозжечка быстрой обработки информации от всех органов чувств, отслеживания меняющегося положения конечностей, сохранения равновесия и определения пространственной ориентации тела. Мозжечок использует всю эту информацию для управления мышцами, причем делает это в нужный момент и в правильном социальном контексте, руководствуясь эмоциями и мотивацией.
Фиораванте и Рудольф рассказали о том, что сейчас неврологи осознают, что благодаря мощной системе нейронов в мозжечке, которая обрабатывает и объединяет информацию для управления движениями тела, он также способен справляться со сложными психическими и поведенческими процессами.
"Например, перед началом симпозиума нам задавали вопросы, а мы давали ответы. Это сложное поведение". Нам нужно было понять речь, сформулировать ответ, а затем задействовать мышцы, чтобы произнести слова. Кроме того, мы должны были уловить язык тела и другие тонкие сигналы. "Например, если собеседник кивал, то мы могли сделать вывод, что он слушает и заинтересован", объяснила Рудольф.
Раньше у нас не было возможности в полной мере оценить сложность моторного контроля, необходимого для воспроизведения речи. Этот моторный контроль включает в себя не только сложные движения языка и губ, с помощью которых мы производим звук, а также регулируем его высоту и громкость, но и жестикуляцию. Наши слова выстраиваются по времени, чтобы не перебить собеседника, и регулируются в соответствии с социальным контекстом: они наполнены соответствующими эмоциями и определяются мотивацией, мыслями, ожиданиями и настроением.
Координация разнообразных функций организма требует участия практически всего мозга - начиная с регуляции сердечного ритма и кровяного давления, которая осуществляется в глубинных отделах мозга, и заканчивая обработкой сенсорной и эмоциональной информации, которая выполняется лимбической системой. Кроме того, необходимо задействовать когнитивные функции высшего уровня - понимание, торможение и принятие решений, за которые отвечает префронтальная кора головного мозга.
Для этого у мозжечка должны быть связи, охватывающие весь мозг. До сих пор доказательства этого отсутствовали, но новые методы позволили обнаружить их.
Центр ощущений
Всего несколько десятков лет назад, когда нейроанатомы составляли карту мозга, они не смогли найти прямых связей между мозжечком и областями мозга, контролирующими эмоции и когнитивные процессы, такими как лимбическая система и префронтальная кора. Это заставило их предположить, что мозжечок находится в некоторой изоляции и не задействован в этих когнитивных функциях высшего уровня. Но нейронные сигналы могут перескакивать с одного нейрона на другой, подобно преступникам, меняющим машины чтобы скрыться от преследования полиции. Это действие "под прикрытием" сбило нейроанатомов со следов мозжечка.
Новые методы позволили нейроанатомам проследить эти пути от мозжечка через транзитные точки и отследить движение нейронов по всему мозгу. Например, исследователи могут помещать вирусы бешенства в нейроны, чтобы точно видеть, с какими другими нейронами они контактируют. Они создали флуоресцентные белки, которые вспыхивают при возникновении нервного импульса, чтобы видеть поток движения в нейронных цепях. Они также могут отслеживать следы, оставленные движением нейронов: По внешнему виду белков, вырабатываемых при срабатывании нейрона, можно определить все клетки, взаимодействующие в нейронной сети при выполнении определенного поведения.
На симпозиуме исследователи поделились множеством новых интересных открытий, полученных с помощью новых методов, которые демонстрируют их меняющееся понимание мозжечка.
Джессика Верпут из Университета штата Аризона представила данные, описывающие сложную и обширную сеть мозжечковых связей, которые активируются во всем мозге у мышей, когда они социализируются или учатся проходить лабиринт.
Рудольф рассказала об экспериментах, демонстрирующих, что на материнское поведение, изучаемое на самках мышей, ухаживающих за своими детенышами, влияют гормоны, воздействующие на мозжечок, особенно гормон окситоцин, стимулирующий материнскую связь. Когда этот механизм был нарушен экспериментально, мать перестала заботиться о своих детенышах.
Йи-Мей Янг из Университета Миннесоты рассказала, что при нарушении работы некоторых нейронов мозжечка мыши теряли интерес к общению с незнакомыми мышами, которых впускали в их клетку. Однако они не испытывали трудностей со взаимодействием и запоминанием новых неодушевленных предметов. Это указывает на нарушение сложной социально-перцептивной памяти, аналогичное тому, что наблюдается у аутистов.
У аутистов мозжечок часто меньше, и Александра Бадура из Медицинского центра Университета имени Эразма Роттердамского представила новые данные, согласно которым мозжечок участвует в развитии аутизма, поскольку он является центром сенсорного ввода, особенно для сигналов, связанных с социальным контекстом.
Это новое исследование выходит за рамки изучения мышей. Андреас Тиеме из Университетской клиники Эссена (Германия) представил новый клинический тест, позволяющий точно диагностировать эмоциональные и когнитивные нарушения, вызванные повреждением мозжечка.
Эти новые исследования доказывают, что мозжечок не только контролирует движения, но и регулирует сложное социальное и эмоциональное поведение. Чтобы обеспечить такое обширное влияние, мозжечок должен быть центром обработки данных, связанным со всем остальным мозгом. Неудивительно, что в нем так много нейронов. Чтобы самостоятельно выполнять все эти высокоуровневые команды, он должен быть, по сути, "маленьким мозгом".
