Себастьян Сеунг - Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть
Миелинизированные аксоны белого вещества гораздо толще (обычно 1 мкм толщиной), чем большинство немиелинизированных аксонов серого вещества. Более того, если нас занимает лишь нахождение зонального коннектома, нам вовсе не обязательно видеть синапсы. Если аксон входит в какой-то участок серого вещества и разветвляется там, мы можем быть почти уверены, что он создает синапсы, так что достаточно проследить за «проводами» белого вещества, чтобы найти зональный коннектом. Ограничившись миелинизированными аксонами, мы сможем проделать эту работу с помощью серийной оптической микроскопии, которая аналогична серийной электронной, только здесь применяются более толстые срезы, а снимки получаются в более низком разрешении.
Разумеется, построение карты аксонов белого вещества – по-прежнему неподъемная задача, если речь идет о мозге размером с человеческий. Неплохо начать с изучения белого вещества в мозгу меньшего размера – скажем, грызунов или низших приматов. Результаты можно проверять, сравнивая их с данными, которые получены путем изучения нервных путей белого вещества животных с помощью более старых технологий. Когда-то они позволяли найти связи между зрительными зонами в коре головного мозга макаки (см. рис. 51; сами эти области, без связей между ними, показаны ранее). Поскольку эти старые технологии не применимы для изучения человеческого мозга, наше собственное белое вещество пока остается почти совершенно неизученным.
Проект «Коннектом человека» уже сейчас пытается построить подобную карту для человеческого мозга. При этом используется метод диффузионной магнитно-резонансной томографии (дМРТ), а не микроскопия. Диффузионная МРТ отличается от классической МРТ, с помощью которой определяют размеры участков мозга, или от функциональной МРТ, применяемой для оценки степени их активации. К сожалению, дМРТ при этом обладает тем же важнейшим ограничением, что и другие виды магнитно-резонансной томографии: низким пространственным разрешением. МРТ обычно дает разрешение в 1 мм, а этого недостаточно для того, чтобы разглядеть единичный нейрон или аксон. Как же при таком плохом разрешении мы надеемся проследить за «проводами» белого вещества при помощи дМРТ?
Рис. 51. Связи между зрительными зонами в коре головного мозга макаки-резус (ср. с рис. 39)
Как выясняется, белое вещество обладает любопытным свойством, которое делает его структуру проще, чем у серого вещества. Вы когда-нибудь забывали помешивать спагетти после того, как бросили их в кипящую воду? Свою ошибку вы обнаруживаете несколько минут спустя, когда видите, что некоторые макаронины слиплись, образуя пучки. Плод этой кулинарной неудачи чем-то напоминает белое вещество. Серое же вещество больше смахивает на тарелку полностью перепутавшихся спагетти.
Когда аксоны слипаются, подобно неперемешиваемым макаронам, они образуют «волоконный тракт», или «нервный путь белого вещества». Их пучки похожи на нервы, только идут они внутри мозга. Почему аксоны слипаются? Ну, а почему многие ходят по одним и тем же тропкам через газоны? Во-первых, так короче, а значит, такой путь оптимальнее мощеных дорожек, устроенных ландшафтными дизайнерами. Во-вторых, тут работает эффект «следования за лидером»: когда несколько первопроходцев слегка примнут траву, за ними пойдут все остальные – и совершенно ее вытопчут. Точно так же и аксоны пролагают эффективные пути через белое вещество: мы предполагаем, что в ходе своей эволюции оно следовало принципу «экономии проводов», о котором мы говорили раньше. Поскольку оптимальное решение часто оказывается единственным, можно ожидать, что аксоны одного и того же происхождения, идущие в один и тот же пункт назначения, будут следовать по одному и тому же маршруту. Кроме того, известно, что первые из аксонов, вырастающих в ходе развития мозга, часто как раз «прокладывают путь», выделяя особые химические вещества, помогающие другим аксонам идти по этому же пути.
Волоконные тракты бывают сравнительно толстыми, хотя единичный аксон микроскопически тонок. Самый толстый из волоконных трактов – знаменитое мозолистое тело, гигантский набор аксонов, соединяющих левое и правое полушария. Нейроанатомы XIX века, рассекая мозг, невооруженным глазом обнаружили ряд других трактов. Диффузионная МРТ – большой шаг вперед, замечательное и вдохновляющее достижение: оно позволяет следить за нейронными маршрутами в белом веществе живого мозга. Для каждого исследуемого участка прибор рисует стрелку, показывающую ориентацию тамошних аксонов. Соединяя эти стрелки, можно проследить за маршрутами аксональных пучков. ДМРТ часто позволяла ученым добиться успеха в таких исследованиях. Вот один пример, который стоит упомянуть: благодаря этому методу удалось обнаружить нервные пути белого вещества, соединяющие центры Брока и Вернике в придачу к давно известным путям, расположенным в дугообразном пучке. Как я уже отмечал, такие находки позволяют коренным образом пересмотреть речевую модель Брока – Вернике.
Такие примеры ободряют, но у дМРТ, напомним, есть и ограничения. Из-за низкого пространственного разрешения, о котором мы говорили выше, с помощью этого метода трудно прослеживать тонкие волоконные тракты. Даже толстые тракты порой трудно проследить, если они пересекаются с другими и аксоны этих трактов «перемешиваются». Можно сравнить такое пересечение с хаотичным городским перекрестком, набитым пешеходами, велосипедистами, гужевым транспортом и, разумеется, автомобилями. Следует очень пристально всматриваться, чтобы увидеть, движется определенный путник прямо или же поворачивает. С аксонами похожая история. Как только аксоны входят в зону мозга, где пересекаются два пучка, с помощью дМРТ трудно увидеть, куда эти аксоны приходят. Застраховать от подобных ошибок при картографировании белого вещества способен лишь метод, позволяющий отслеживать маршруты отдельных аксонов (я предложил пример такого метода выше).
Картографирование зональных коннектомов с помощью дМРТ уже сейчас проблематично. Метод еще меньше годится для нейронного коннектома или коннектома нейронных типов. Разумеется, у дМРТ есть важное преимущество: он позволяет исследовать не мертвый, а живой мозг, давая возможность по крайней мере засекать масштабные коннектопатии (скажем, отсутствие мозолистого тела). Поскольку дМРТ годится для быстрого и удобного изучения множества живых мозгов, он способен помочь нам отыскать корреляции между умственно-психическими расстройствами и схемой связей в мозгу. Но такие корреляции могут оказаться слабыми – как френологические корреляции, которыми ученые занимались в былые эпохи.
Специалисты по МРТ продолжают наращивать разрешающую способность своих приборов, но скорость такого усовершенствования не очень велика, и впереди еще долгий путь. Грубо говоря, нынешнее разрешение дМРТ в тысячу раз хуже, чем у оптической микроскопии, у которой оно, в свою очередь, тысячекратно хуже, чем у микроскопии электронной. Возможно, удастся разработать другие неинвазивные методы, которые окажутся эффективнее МРТ. Однако не будем забывать, что наблюдение живого мозга сквозь кости черепа – по определению более сложная задача, чем разрезание мертвого мозга и изучение его кусочков под микроскопом. Микроскопия уже сейчас обладает разрешающей способностью, достаточной для нахождения коннектомов, нам просто нужно научиться применять ее к образцам большего объема. А вот МРТ требует более фундаментальных и кардинальных усовершенствований. Следовательно, в обозримом будущем микроскопия и МРТ будут по-прежнему идти рука об руку, дополняя друг друга.
* * *Для поиска коннектопатий нам придется использовать методы, которые я упоминал выше. Мы будем картографировать упрощенные коннектомы аномального и нормального мозга и сравнивать их. Возможно, некоторые различия удастся обнаружить при помощи дМРТ, но тонкие отличия потребуют применения микроскопии. Мы будем также сравнивать нейронные коннектомы небольших фрагментов мозга с помощью электронной микроскопии. Само использование микроскопии в таких случаях неизбежно сопряжено с определенными трудностями, поскольку нам придется подвергать микроскопии мозг больных. Случается, что человек завещает отдать свой мозг науке после смерти (такая щедрость имеет славные и долгие традиции), но даже если мы получим посмертные мозги, нас ждут новые трудности.
Одна из альтернатив – поиск коннектопатий в мозгу животных. Подобные работы важны и для разработки методов лечения, ведь такие методы зачастую сначала проверяют на подопытных животных и лишь потом – на людях-добровольцах. Легендарный французский микробиолог Луи Пастер разработал первую в мире вакцину против бешенства, выращивая вирус в организме кроликов и затем ослабляя его. Вакцину испытывали на собаках, прежде чем ее впервые проверили на девятилетнем мальчике, которого искусал бешеный пес. Этот рискованный опыт стал широко известен.
