Файл: 01 Нервная система 402 Нейронная доктрина.pdf

эпигенетика
157
ветки, и потому его отпрыски унаследовали шею длиннее. Чарлз Дарвин предложил альтернативную теорию — эволюцию путем естественного отбора. По Дарвину, все отдельные особи одного и того же вида отлича- ются друг от друга.
Благоприятная разновидность особенностей позволяет конкретному животному лучше приспосабливаться, а вот другие разновидности бесполез- ны или вредны. Обладатели благоприятных особенностей размножаются, а менее успешные постепенно вымирают.
Чётки жизни
Ядро любой клетки нашего тела содержит более метра ДНК, упакованного в 23 пары хромосом. Каждая хромосома состоит из одной длинной двойной спиральной молекулы ДНК, в которой закодирована информация для синтеза тысяч различных белков клетки. ДНК туго свернута вокруг бочкообразных белков — ги- стонов, — и вся конструкция похожа на четки, нанизанные на нитку. Она скручена в спиральные волокна диаметром 30 нанометров
(миллиардные доли метра), а волокна, в свою очередь, уложены петлями.
Комбинация ДНК и белков внутри хромосомы называется хроматином. Хромосомы претерпевают постоянные структурные изменения, регулирующие активность генов. Хроматин раскрывается в определенных областях и подпускает к генетической информации молекулярный аппарат, осуществляющий синтез белков, после чего захлопывается, и ген опять становится неактивен. Эти изменения контролируются эпигенетическими механизмами, «метящи- ми» хромосомы. Совокупность маркеров составляет эпигеном.
Устройство хромосомы
Метафазная хромосома
Соленоид
Хроматиновое волокно
Нуклеосомы
Гистоны
ДНК
1983
Тимоти Бестор и Вернон
Ингрэм выделяют ДНК метилтрансферазы
2004
Майкл Мини с коллегами публикуют знаковую работу по эпигенетике
2005
Рахиль Йехуда с коллегами представляют исследование передачи травмы между поколениями

158
свобода от догмы
Хотя Дарвин не вполне сознавал это в свое время, такие разновидности возникают в форме генетических мутаций. Далее Грегор Мендель открыл принципы наследования и выдвинул предположение, что «единицы наследования» (мы их теперь называем генами) передаются из поколения в поколение. Подтверждений теории естественного отбора все прибав- лялось, от теории Ламарка отказались и забыли о ней. Эпигенетика примиряет эти два представления, объясняя, как наследуются при- обретенные особенности.
Материнская любовь
Материнская любовь
В 2004 году канадские исследователи опубликова- ли знаменательную работу, показывающую, что качество материнской заботы оказывает серьезное и длительное влияние на потомство. Они обнаружили, что крысята, которых мать в течение первой недели жизни регулярно облизывает и вычесывает, лучше справляются со стрессовыми ситуациями во взрослой жизни, чем получившие мало общения с матерью или не получившие совсем.
Исследователи изучили и состояние мозга этих животных и обнаружили, что разница в поведении связана с различиями в активности гена, кодиру- ющего глюкокортикоидный белок-рецептор, играющий ключевую роль в отклике на стресс: у крысят, обласканных матерью, выявили гораздо более высокий уровень содержания этого рецептора в гипоталамусе, чем у обделенных материнской заботой.
В последующих работах изучили мозг самоубийц — некоторые пережили насилие в детстве — и людей, внезапно погибших по другим причинам.
Оказалось, что эпигенетические отличия мозга самоубийц, переживших скверное обращение в детстве, связаны с иной активностью гена, кодирующего глюкокортикоидный рецептор, что увеличило риск самоубийства.
Эпигенетика в действии
Эпигенетика в действии
Эпигенетика обусловлена химическим видоизменением хромосомальной
ДНК или связанных с ней белков
(
см. стр. 157). Самое известное видоиз- менение — метилирование: метиловая группа, маленький фрагмент молекулы
Наследование травмы
Эпигенетика — форма «генетического отпечатка»: клетки, делясь, передают свои эпигенетические маркеры дочерним клеткам. И хотя нейроны не делятся, эпигенетические модификации нейро- нальных генов могут быть переданы от поколения к поколению. Вот один пронзительный пример из исследования
2005 года: беременная женщина, пережив- шая атаку на Башни-близнецы, передала свою травму детям, и эпигенетический механизм этой передачи пока нам неведом. У детей, рожденных от матерей, находившихся на последнем триместре беременности во время атаки и перенес- ших посттрав матическое расстройство, как выяснилось годы спустя, общий уровень кортизола в крови ниже нормы, а возбудимость и раздражимость острее.

эпигенетика
159
из одного атома углерода и трех атомов водорода, присоединяется к спец- ифическому месту в последовательности ДНК или к белку-гистону при участии фермента метилтрансферазы. Эта реакция присоединения метило- вой группы «помечает» хромосому: ее структура подлежит изменению.
Эти «метки» перестраивают общую структуру хромосомы и тем самым влияют на активность генов. Эпигенетические метки, или маркеры, могут оказывать противоположное влияние на генную активность. Некоторые открывают тот или иной участок хромосомы, и гене- тическая информация, закодированная в нем, стано- вится доступной для синтеза белков. Другие, наобо- рот, закрывают хромосому, целиком заглушая гены на данном участке.
Эпигенетические механизмы задействованы практи- чески во всем, чем занят здоровый мозг. Они контро- лируют разделение задач нейронных стволовых клеток во время развития мозга, к примеру, и вносят свой вклад в формирование и обслуживание памяти.
При старении в профиле эпигенетических маркеров появляются изменения — и в мозге, и в других обла- стях тела; нейробиологические расстройства типа болезни Альцгеймера также связаны с эпигенетическими изменениями в нейронах. То же касает- ся и наркотической зависимости.
Расстановка эпигенетических маркеров, однако, обратима. В эксперимен- тах на крысах канадские ученые обнаружили, что передача прежде не обихоженных крысят заботливой матери устраняет эпигенетические маркеры на гене, кодирующем глюкокортикоидный рецептор. Также обнаружилось, что эффект отсутствия матери можно обратить, если дать крысятам вещество, которое замедляет вызванную скверным уходом эпигенетическую модификацию гена, отвечающего за производство глюкокортикоида. У всех этих открытий есть очевидные глубинные следствия применительно к воспитанию детей. Важно отметить: результа- ты этих экспериментов подсказывают, что для детей, выросших в агрес- сивной или убогой среде, не все потеряно.
В сухом остатке
Жизненный опыт
можно унаследовать
‘
Эта новая
заманчивая область
знания… меняет наши
взгляды на то, как
нужно думать
о нашем прошлом
и будущем
’
Эва Яблонка
(р. 1952), израильский генетик

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
160
свобода от догмы
«Витание ума», бывает, одаривает ученых свежими про-
зрениями о природе мозговой деятельности. Отключение
от окружающего мира и погружение в мир умственный, про-
странство грез и воображения активирует области мозга, име-
нуемые сетью пассивного режима, отключенного во время
выполнения задач, инициированных извне. Эта сеть, подвер-
женная нарушениям при различных заболеваниях, возмож-
но, поддерживает сущностные функции мозга.
40
Мозг часто считают системой ввода-вывода, обрабатывающей инфор- мацию, которая поступает извне, и производящей поведенческий отклик. Большинство исследований посвящено изучению активности мозга — как он «подсвечивается» во время того или иного действия или восприятия. Этот ненасытный орган поглощает около 20 % энергии тела, притом, что занимает лишь 2 % от общей телесной массы. Еще с 1950-х годов мы знаем, что метаболическая активность мозга при деятельном выполнении какой-нибудь задачи меняется лишь самую малость.
Иными словами, мозг не прохлаждается, даже когда мы вообще ничем не заняты, и имеет встроенный порядок деятельности, забирающей основную часть энергии. Эта «фоновая» работа происходит постоян- но и не меняется от степени нашей загруженности задачами. Это
«пассивный режим» работы мозга, в котором задействована сеть областей, проявляющихся в эфире, когда мозг бодрствует, но нахо- дится в покое. Эта работа может представлять сущностные функции мозга, а различные нейробиологические расстройства способны ее нарушать. Многие считают, что изучение мозга в состоянии покоя
Пассивный
режим
1929
Ханс Бергер выдвигает предположение, что мозг активен всегда, даже в покое
1955
Луис Соколофф с коллегами обнаруживают, что уровень метаболизма мозга постоянен
1974
Давид Ингвар собирает данные сканирования мозга в покое и отмечает постоянные последовательности активности

пассивный режим
161
расскажет нам много важного о его деятельности и дисфункциях. И все-таки вот в чем вопрос: чем мозг занят, когда он в покое?
Двигатель на холостых оборотах?
Двигатель на холостых оборотах?
Пассивный режим работы мозга был открыт совершенно случай- но — при анализе результатов сканирования в 1990-х годах. Исследователи заметили, что мозг испытуемых не прекращал деятельности, даже когда те лежали в томографе без всякого дела. В те времена ученые все еще разбирались в расшифровке данных томограмм — в особенности как отделять сигналы, связанные с обработкой информации, от случайных всплесков спонтанной деятельности. Поначалу сигналы, наблюдаемые при спокойном состоянии мозга, отметались как белый шум, однако кому-то пришло в голову поразмыслить, нет ли у этих «шумов» каких-нибудь особенных собственных характеристик.
Прежде по умолчанию считалось, что мозг, не занятый никакой конкретной задачей, выдает спонтанные непредсказуемые последовательности сигна- лов. Однако сканирование, произведенное в периоды покоя, показывало один и тот же низкочастотный сигнал: отдельные области мозга выказыва- ли активность, даже когда испытуемые лежали себе тихонечко в томографе с закрытыми глазами и бездельничали. Эти области мозга получили название сети пассивного режима работы мозга (СПРРМ), и ее устройство подробно описано — она состоит из не менее десятка сетей, активизирую- щихся в состоянии покоя мозга.
СПРРМ включает в себя полдесятка связанных друг с другом областей мозга в лобной и теменной долях, производящих осциллирующую картину деятельности с частотой 0,1 Гц (один цикл в 10 секунд) или еще реже. Эти участки — медиальная префронтальная кора, вовлеченная в создание
«теории сознания», т. е. в воссоздание намерений других людей; медиальная височная доля, играющая важную роль в формировании памяти; задняя часть поясной извилины, которая, среди прочего, объединяет деятельность лобной и височной долей. СПРРМ отрицательно коррелирует с задачами, связанными с вниманием к внешним раздражителям, т. е. деактивируется во время задач, требующих сосредоточенности на внешнем мире, и оживляет- ся, когда мы обращаемся внутрь, к собственным мыслям.
‘
Система пассивного
режима — это работа
мозга, которую мы
производим, когда
нас оставили в покое
и не трогают
’
Давид Ингвар, шведский нейробиолог (1974)
2001
Маркус Райхле с коллегами сообщают об открытии системы пассивного режима работы мозга
2007
Малиа Мейсон с коллегами связывают деятельность СПРРМ с «витанием ума»
2010
Открытие
СПРРМ у крыс
2011
СПРРМ обнаружена у обезьян

162
свобода от догмы
Витания ума
Витания ума
В согласии с функциями своих подсистем СПРРМ активизи- руется во время внутренней работы мысли — вспоминании чего-то из прошло- го, воображении будущих событий или попытки представить себя на месте другого человека. Это навело исследователей на размышления, что главная функция пассивного режима — поддержание умственной деятельности, собирательно именуемой «витанием», а именно грезами и воображением.
Знаковое исследование, опубликованное в 2007 году, до некоторой степени подтвердило, что пассивный режим поддерживает витание ума.
Исследователи попросили участников эксперимента доложить, как часто их ум принимался витать при выполнении незнакомой и хорошо известной задачи — неудивительно, что все участники сообщили: их ум «уплывал» чаще при выполнении давно понятой задачи. Далее исследователи произве- ли сканирование мозга испытуемых за выполнением обеих задач и обнару- жили, что СПРРМ проявляла бо 2льшую активность при исполнении участни- ками известной им задачи. Витания ума, стало быть, могут подсказать, для какой деятельности мозг развился достаточно.
Воздействия расстройств
Воздействия расстройств
Деятельность в состоянии покоя наруша- ется из-за различных нейробиологических расстройств. Например, в одном исследовании обнаружилось, что деятельность СПРРМ у детей-ау- тистов сокращена при выполнении пассивной задачи и, напротив, не деак- тивируется во время задачи, требующей умственных усилий, — все наобо- рот, не как у неаутичного мозга. Была выдвинута гипотеза, что аутизм,
Сопротивление покою?
Представление о СПРРМ играет центральную роль в нейробиологии, однако не все считают, что она так уж важна. Критики соглашаются, что понимание того, чем мозг занят, когда ум витает, позволит во многом разо- браться, однако полагают: то, что мы считаем состоянием покоя, может оказаться чем-то совершенно иным: внутри томографа пространство клаустрофобно и шумно, и деятельность мозга, наблюдаемая у людей, которых попросили ничего не делать, может быть связана с состоянием повышен- ной настороженности, т. е. активным поиском такого, на что направить внимание. А поскольку метаболизм мозга меняется лишь самую малость, говорят они, из этого следует, что состояние покоя в той или иной степени присуще мозгу при выполне- нии множества разных задач, а значит, не заслуживает к себе отношения как к особому виду деятельности.

пассивный режим
163
характеризующийся трудностями в социализации, возникает из-за неспо- собности симулировать чужие действия и намерения. Эта способность связана с медиальной префронтальной корой — частью СПРРМ, — и нети- пичная активность в этой области связана с той или иной социальной неприспо собленностью, и чем менее типично поведение этой области мозга, тем сильнее эта неприспособленность проявлена вовне.
Еще одна научная работа показывает, что деятельность в состоянии покоя в двух областях СПРРМ — гиппокампе и задней поясной извилине — прига- шена у пациентов с болезнью Альцгеймера по сравнению со здоровой контрольной группой. На ранних стадиях заболевания в ключевых областях
СПРРМ возникают патологические бляшки. Некоторые исследователи, исходя из этого, предполагают, что активность СПРРМ можно применять для распознания и диагностики этой болезни. Работа СПРРМ нарушена и у пациентов с шизофренией. Проведено исследование, в котором показано, что различные симптомы этого расстройства — например, галлюцинации, бред и спутанность мыслей — связаны с усилением активности медиальной префронтальной коры и задней поясной извилины в состоянии покоя.
В сухом остатке
«Темная энергия» мозга
может оказаться сутью
его ключевых функций

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
164
свобода от догмы
Обширные группы нервных клеток демонстрируют повто-
ряющиеся рисунки деятельности, именуемые ритмами мозга;
они отличаются друг от друга по амплитуде, частоте и време-
ни возникновения. Синхронизация этих ритмов внутри той
или иной области и между различными участками мозга пред-
ставляется чрезвычайно важной для процессов обработки
нейронной информации.
41
Отдельные нейроны демонстрируют спонтанные, ритмические последовательности электрической активности в форме потенциалов действия (
см. также главу 4 «Нервный импульс»), и клетки, расположен- ные в одной и той же части мозга, образуют ядра, или кластеры, протягивающие аксоны к одному и тому же целевому участку мозга.
Такая организация возникает в период развития мозга — так обра- зуются функциональные сети с предельно точными нейронными путями. Клетки внутри таких путей связаны друг с другом не только химическими, но и электрическими синапсами, или щелевыми контактами, позволяющими координировать их деятельность и одномоментное срабатывание.
Синхронизированные всплески электрической активности, генериру- емой большим количеством нейронных скоплений, состоящих из мил- лионов клеток, известны и как ритмы мозга; их можно засечь снаружи черепа с помощью двух методик сканирования: электроэнцефалогра- фически (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографически (МЭГ). Со времен их открытия в конце 1920-х годов (
см. стр. 166) мы знали, что у ритмов мозга свои особые рисунки, однако лишь недавно начали понимать их значимость для обработки мозгом информации.