На что влияет динамика развития нейронных связей в мозге
Число нейронных связей в мозге улучшает качество жизни человека
На протяжении многих лет ученые думали, что головной мозг взрослого человека остается неизменным. Однако теперь науке точно известно: на протяжении всей жизни в нашем мозге формируются все новые и новые синапсы — контакты между нейронами или получающими их сигнал клетками другого типа. В совокупности
нейроны и синапсы формируют нейронную сеть, отдельные элементы которой постоянно контактируют между собой и обмениваются информацией.
Именно нейронные связи помогают разным областям головного мозга передавать друг другу данные, тем самым обеспечивая жизненно важные для нас процессы: формирование памяти, продуцирование и понимание речи, управление движениями собственного тела. Когда нейронные связи нарушаются (а произойти это может в результате заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, или же из-за физической травмы), определенные области головного мозга теряют способность взаимодействовать между собой. Вследствие этого становится невозможным выполнение какого-либо действия, как умственного (запоминание новой информации или планирование своих действий), так и физического.
Группа исследователей под руководством Стивена Смита из Центра функциональной магнитно-резонансной томографии головного мозга Оксфордского университета решила выяснить, способно ли общее число нейронных связей в мозге каким-то образом влиять на его работу в целом. В ходе исследования ученые использовали данные, полученные в рамках Human Connectome Project — проекта, запущенного в 2009 году. Его целью является составление своеобразной «карты» головного мозга, с помощью которой можно будет понять, какая область мозга отвечает за тот или иной процесс или заболевание, а также каким образом разные области мозга взаимодействуют друг с другом.
Уникальность работы исследовательской группы Стивена Смита заключалась в том, что ученые не концентрировали свое внимание на связях между конкретными областями мозга или на его определенных функциях, а изучали процессы в целом.
Подробнее ознакомиться с полученными данными можно в журнале Nature Neuroscience.
В исследовании были использованы результаты магнитно-резонансной томографии 461 человека. Для каждого из них была создана «карта», на которой показывалось общее количество нейронных связей между всеми областями мозга. Кроме того, каждый участник исследования заполнял анкету, где рассказывал о своем образовании, образе жизни, состоянии здоровья, семейном положении и эмоциональном состоянии. Всего вопросы затрагивали 280 аспектов жизни человека.
В результате работы удалось выяснить: чем большее количество нейронных связей присутствует в головном мозге человека, тем более «положительным» он является.
Люди, мозг которых был богат контактами между нейронами, как правило, получили высшее образование, не имели проблем с законом, стремились вести здоровый образ жизни, находились в хорошем психологическом состоянии и в целом демонстрировали высокий уровень удовлетворенности жизнью.
Как утверждают авторы исследования, взаимосвязь между количеством нейронных связей и качеством жизни человека была такой яркой и сильной, что сами ученые были поражены этим.
Отделу науки удалось связаться с ведущим автором работы Стивеном Смитом и поговорить с ним о деталях работы.
— Можно ли дать точное объяснение того, почему количество нейронных связей в головном мозге оказывает прямое воздействие на качество жизни человека: например, сказать, что число связей каким-то образом влияет на мозговую деятельность?
— Нет, говорить о таких причинно-следственных связях пока рано, так как все это — предмет сложного и многовариантного корреляционного анализа. Поэтому пока что мы не можем заявить, что мозг, в котором много нейронных связей, заставляет человека учиться на несколько лет дольше (или наоборот — что многолетнее обучение увеличивает количество нейронных связей).
Кстати, на данный момент действительно можно распространять причинно-следственные связи в оба направления — это можно назвать «заколдованным кругом».
— В таком случае каким образом вы собираетесь этот «заколдованный круг» разорвать?
— Та работа, которую мы проделали сейчас — сканирование головного мозга при помощи магнитно-резонансной томографии, — может показать лишь то, насколько тесно связаны между собой те или иные области мозга. Она также отражает множество других биологических факторов меньшей важности — например, демонстрирует точное количество нейронов, связывающих эти области. А вот понимание того, как эти связи влияют на поведение, умственные способности, образ жизни человека, — это основной вопрос, который стоит перед сотрудниками проекта Human Connectome Project.
— Стивен, а существует ли корреляция между числом нейронных связей в головном мозге родителей и детей?
— А вот тут я могу однозначно ответить — да. Существует множество доказательств того, что количество нейронных связей, скажем так, передается по наследству. В рамках нашего проекта мы собираемся изучить это явление более глубоко. Хотя, несомненно, существуют и другие важные факторы, которые влияют на функционирование мозга и формирование нейронных связей.
— А возможно ли — хотя бы теоретически — каким-то образом повлиять на количество нейронных связей и таким образом изменить качество жизни человека?
— Об этом очень сложно говорить в общих чертах. Впрочем, существует множество примеров, когда вмешательства в функционирование головного мозга изменяли поведение человека или улучшали какие-то отдельные показатели его работы. О подобном эксперименте можно прочесть, например, в журнале Current Biology: в статье говорится, что ученым при помощи микрополяризации (метода, позволяющего изменять состояние различных звеньев центральной нервной системы действием постоянного тока. — «Газета.Ru») удалось улучшить математические способности испытуемых.
Можно привести и другой, более простой и обыденный пример: мы же все знаем, что обучение и практика в каком-либо виде деятельности помогают улучшить выполнение этой самой деятельности.
Но ведь обучение — по определению — изменяет нейронные связи головного мозга, пусть иногда мы и не в состоянии это зафиксировать.
Что касается вашего вопроса, то проблема глобального изменения поведения или способностей человека остается масштабным и чрезвычайно интересным объектом исследования.
На что влияет динамика развития нейронных связей в мозге
В теле человека бессчетное количество клеток, каждая из которых имеет собственную функцию. Среди них самые загадочные – нейроны, отвечающие за любое совершаемое нами действие. Попробуем разобраться как работают нейроны и в чем их предназначение.
Что такое нейрон (нейронные связи)
Нейроны работают при помощи электрических сигналов и способствуют обработке мозгом поступающей информации для дальнейшей координации производимых телом действий.
Эти клетки являются составляющей частью нервной системы человека, предназначение которой состоит в том, чтобы собрать все сигналы, поступающие из вне или от собственного организма и принять решение о необходимости того или иного действия. Именно нейроны помогают справиться с такой задачей.
Каждый из нейронов имеет связь с огромным количеством таких же клеток, создаётся своеобразная «паутина», которая называется нейронной сетью. Посредством данной связи в организме передаются электрические и химические импульсы, приводящие всю нервную систему в состояние покоя либо, наоборот, возбуждения.
К примеру, человек столкнулся с неким значимым событием. Возникает электрохимический толчок (импульс) нейронов, приводящий к возбуждению неровной системы. У человека начинает чаще биться сердце, потеют руки или возникают другие физиологические реакции.
Мы рождаемся с заданным количеством нейронов, но связи между ними еще не сформированы. Нейронная сеть строится постепенно в результате поступающих из вне импульсов. Новые толчки формируют новые нейронные пути, именно по ним в течение жизни побежит аналогичная информация. Мозг воспринимает индивидуальный опыт каждого человека и реагирует на него. К примеру, ребенок, схватился за горячий утюг и отдернул руку. Так у него появилась новая нейронная связь.
Стабильная нейронная сеть выстраивается у ребенка уже к двум годам. Удивительно, но уже с этого возраста те клетки, которые не используются, начинают ослабевать. Но это никак не мешает развитию интеллекта. Наоборот, ребенок познает мир через уже устоявшиеся нейронные связи, а не анализирует бесцельно все вокруг.
Познание нового опыта на протяжении всей жизни приводит к отмиранию ненужных нейронных связей и формированию новых и полезных. Этот процесс оптимизирует головной мозг наиболее эффективным для нас образом. Например, люди, проживающие в жарких странах, учатся жить в определенном климате, а северянам нужен совсем другой опыт для выживания.
Сколько нейронов в мозге
Нервные клетки в составе головного мозга занимают порядка 10 процентов, остальные 90 процентов это астроциты и глиальные клетки, но их задача заключается лишь в обслуживании нейронов.
Подсчитать «вручную» численность клеток в головном мозге также сложно, как узнать количество звезд на небе.
Тем не менее ученые придумали сразу несколько способов для определения количества нейронов у человека:
Строение нейрона
На рисунке приведено строение нейрона. Он состоит из основного тела и ядра. От клеточного тела идет ответвление многочисленных волокон, которые именуются дендритами.
Мощные и длинные дендриты называются аксонами, которые в действительности намного длиннее, чем на картинке. Их протяженность варьируется от нескольких миллиметров до более метра.
Аксоны играют ведущую роль в передаче информации между нейронами и обеспечивают работу всей нервной системы.
Место соединения дендрита (аксона) с другим нейроном называется синапсом. Дендриты при наличии раздражителей могут разрастись настолько сильно, что станут улавливать импульсы от других клеток, что приводит к образованию новых синаптических связей.
Синаптические связи играют существенную роль в формировании личности человека. Так, личность с устоявшимся позитивным опытом будет смотреть на жизнь с любовью и надеждой, человек, у которого нейронные связи с негативным зарядом, станет со временем пессимистом.
Виды нейронов и нейронных связей
Нейроны можно обнаружить в различных органах человека, а не исключительно в головном мозге. Большое их количество расположено в рецепторах (глаза, уши, язык, пальцы рук – органы чувств). Совокупность нервных клеток, которые пронизывают наш организм составляет основу периферической нервной системы. Выделим основные виды нейронов.
Слаженная работа нейронов трех типов выглядит так: человек «слышит» запах шашлыка, нейрон передает информацию в соответствующий раздел мозга, мозг передает сигнал желудку, который выделяет желудочный сок, человек принимает решение «хочу есть» и бежит покупать шашлык. Упрощенно так это действует.
Самыми загадочными являются промежуточные нейроны. С одной стороны, их работа обуславливает наличие рефлекса: дотронулся до электричества – отдернул руку, полетела пыль –зажмурился. Однако, пока не объяснимо как обмен между волокнами рождает идеи, образы, мысли?
Единственное, что установили ученые, это тот факт, что любой вид мыслительной деятельности (чтение книг, рисование, решение математических задач) сопровождается особой активностью (вспышкой) нервных клеток определенного участка головного мозга.
Есть особая разновидность нейронов, которые именуются зеркальными. Их особенность заключается в том, что они не только приходят в возбуждение от внешних сигналов, но и начинают «шевелиться», наблюдая за действиями своих собратьев – других нейронов.
Функции нейронов
Без нейронов невозможна работа организма человека. Мы увидели, что эти наноклетки отвечают буквально за каждое наше движение, любой поступок. Выполняемые ими функции до настоящего времени в полной мере не изучены и не определены.
Существует несколько классификаций функций нейронов. Мы остановимся на общепринятой в научном мире.
Функция распространения информации
Данная функция:
Суть ее в том, что нейронами обрабатываются и переносятся в головной мозг все импульсы, которые поступают из окружающего мира или собственного тела. Далее происходит их обработка, подобно тому, как работает поисковик в браузере.
По результатам сканирования сведений из вне, головной мозг в форме обратной связи передает обработанную информацию к органам чувств или мышцам.
Мы не подозреваем, что в нашем теле происходит ежесекундная доставка и переработка информации, не только в голове и на уровне периферической нервной системы.
До настоящего времени создать искусственный интеллект, который бы приблизился к работе нейронных сетей человека, не удалось. У каждого из 85 миллиардов нейронов имеется, как минимум, 10 тысяч обусловленных опытом связей, и все они работают на передачу и обработку информации.
Функция аккумуляции знаний (сохранения опыта)
Человек обладает памятью, возможностью понимать суть вещей, явлений и действий, которые он единожды или многократно повторял. За формирование памяти отвечают именно нейронные клетки, точнее нейротрансмиттеры, связующие звенья между соседними нейронами.
Таким образом, за память отвечает не какая-то отдельная часть мозга, а маленькие белковые мостики между клетками. Человек может потерять память, когда произошло крушение этих нервных связей.
Функция интеграции
Данная функция позволяет взаимодействовать между собой отдельным долям головного мозга. Как мы уже сказали, сигналы от разных органов чувств поступают в разные отделы мозга.
Нейроны посредством «вспышек» активности передают и принимают импульсы в разных частях мозга. Так происходит процесс появления мыслей, эмоций и чувств. Чем больше таких разноплановых связей, тем эффективнее человек мыслит. Если человек способен к размышлениям и аналитике в определенном направлении, то он будет хорошо соображать и в другом вопросе.
Функция производства белков
Нейроны – настолько полезные клетки, что не ограничиваются только передаточными функциями. Нервные клетки вырабатывают необходимые для жизни человека белки. Опять же ключевую роль в производстве белков имеют нейротрансмиттеры, которые отвечают за память.
Всего в невронах индуцируется порядка 80 белков, вот основные из них, влияющие на самочувствие человека:
Прекращение выработки белков или их выпуск в недостаточном количестве способны привести к тяжелым заболеваниям.
Восстанавливаются ли нервные клетки
При нормальном состоянии организма нейроны могут жить и функционировать очень долго. К сожалению, случается так, что они начинают массово погибать. Причин разрушения нервных волокон может быть много, но до конца механизм их деструкции не изучен.
Установлено, что нервные клетки погибают из-за гипоксии (кислородное голодание). Нейронные сети рушатся при отдельных травмах головного мозга, человек теряет память или утрачивает способность к хранению информации. В этом случае сами нейроны сохранены, но теряется их передаточная функция.
Отсутствие допамина ведет к развитию болезни Паркинсона, а его переизбыток является причиной шизофрении. Почему прекращается выработка белка не известно, спусковой механизм не выявлен.
Гибель нервных клеток происходит при алкоголизации личности. Алкоголик со временем может совершенно деградировать и утратить вкус к жизни.
Формирование нервных клеток происходит при рождении. Долгое время ученые полагали, что со временем нейроны отмирают. Поэтому с возрастом человек утрачивает способность накапливать информацию, хуже соображает. Нарушение функции по выработке допамина и серотонина связывается с наличием практически у всех пожилых людей депрессивных состояний.
Гибель нейронов, действительно неизбежна, в год исчезает примерно 1 процент от их количества. Но есть и хорошие новости. Последние исследования показали, что в коре головного мозга есть особенный участок, именуемый гипокаммом. Именно в нем генерируются новые чистые нейроны. Подсчитано примерное количество генерируемых ежедневно нервных клеток – 1400.
В науке обозначилось новое понятие «нейропластичность», обозначающее возможность мозга регенерироваться и перестраиваться. Но есть одна тонкость: новые нейроны еще не имеют никакого опыта и наработанных связей. Поэтому с возрастом или после заболевания мозг нужно тренировать, как и все иные мышцы тела: получать новые знания, анализировать происходящие события и явления.
Подобно тому, как мы усиливаем бицепс при помощи гантели, активизировать процесс включения новых нервных клеток можно следующими способами:
Механизм возрождения прост. У нас имеются совершенно не задействованные новые клетки, которые нужно заставить работать, а сделать это можно лишь путем постановки новых задач и изучения неизвестных предметных сфер.
PsyAndNeuro.ru
Динамика развития головного мозга: вариабельность ассоциативных связей с течением времени
В январе 2021 года в журнале Translational Psychiatry было опубликовано исследование Edmund T. Rolls et al., авторы которого сфокусировали внимание на изменении с течением времени функциональных связей в головном мозге, а затем сравнили полученные показатели у людей с психическими расстройствами и без. Авторы своей задачей поставили определить, как эти процессы происходят у людей, длительно страдающих шизофренией, по сравнению с теми, кто перенёс первый эпизод заболевания, а также по сравнению с теми, кто страдает синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ); и как различные участки таламуса работают при шизофрении и СДВГ. Для этого они воспользовались четырьмя базами данных.
Учёные отобрали из Human Connectome Project (НСР) 1017 человек 22 – 35 лет. 123 человека, длительно страдающих шизофренией и 136 человек для группы контроля были взяты из материалов больницы Veteran General Hospital в Тайване. 154 пациента, госпитализированных по поводу первого психотического эпизода, и 112 человек для контрольной группы были отобраны из центра Shanghai Mental Health Center. Результаты fМРТ респондентов с СДВГ были взяты из исследования ADHD-200 Consortium. Для уточнения функциональных и анатомических связей между областями головного мозга использовался автоматизированный анатомический атлас (The automated anatomical labeling atlas 3, AAL3). Временная вариативность функциональных связей была вычислена с помощью специальной формулы.
Среди респондентов 1017 респондентов HCP высокую временную изменчивость обнаружили функциональные связи, образованные амигдалой, орбито-фронтальной корой, каудальными ядрами, поясной извилиной, гиппокампом, парагиппокампальной извилиной, латеральным и медиальным коленчатыми ядрами таламуса. Наименьшая временная вариативность была обнаружена в области моторной и первичной зрительной коры. Авторы объяснили это тем, что зрительная кора имеет более прочные функциональные связи между своими областями, что позволяет им перестраиваться одновременно. Такие области, как гиппокамп, парагиппокампальная извилина, амигдала и орбито-фронтальная кора, напротив, имеют функциональные связи с множеством других регионов головного мозга и изменяются вне зависимости друг от друга. Помимо этого, зрительная кора может иметь сильные функциональные связи с моторной корой.
Далее авторы сравнили респондентов с хронической шизофренией из больницы Veteran General Hospital с контрольной группой. В случае болезни авторы обнаружили высокую временную вариативность в области первичной зрительной коры (нижняя затылочная извилина, веретенообразная извилина), височной коры, орбито-фронтальной коры, таламических ядер (медиальное дорсальное, вентральные передние и латеральные ядра), моторных областей (скорлупа и бледный шар). Согласно данным, полученным из AAL3, в регионах мозга с сильными функциональными связями при хронической шизофрении происходит их ослабление. К таким зонам относятся первичная зрительная кора (затылочная область, шпорная борозда, лингвальная извилина, клиновидная извилина) с функциональными связями, образованными как внутри неё, так и с височной долей, слуховой корой (извилина Гешля, верхняя височная извилина). Есть изменения и в таламических ядрах. Прочная связь обнаружена в медиальном дорсальном, вентральных переднем, латеральном, задних ядрах. Ослабляется связь в области срединных и латеральных групп ядер таламуса.
Затем авторы исследовали респондентов с первым психотическим эпизодом, отобранных в Shanghai Mental Health Center. Временная вариативность оказалась выше между височной и зрительной корой, в областях поясной извилины и верхней медиальной префронтальной коры. В области зрительной коры изменений во внутренних функциональных связях не было. Функциональные связи в височной области, в орбито-фронтальной коре, гиппокампе и парагиппокампальной извилине оказались слабыми. Обнаружены сильные функциональные связи между следующими ядрами таламуса: медиальное дорсальное ядро, вентральные переднее и латеральное ядра, латеральное и вентральное задние ядра. Латеральная и медиальная группы ядер таламуса продемонстрировали слабую функциональную связь при первом эпизоде шизофрении, как и в случае её хронического течения.
Затем авторы изучили результаты фМРТ у респондентов с СДВГ. Областью с низкой временной вариабельностью оказалась первичная зрительная кора (клиновидная извилина). Областями с высокой способностью изменять функциональные связи с течением времени оказались продольная извилина, задняя поясная кора, вентро-медиальная префронтальная кора. Авторы делают вывод о том, что зрительная кора достаточна устойчива к изменениям в головном мозге, к которым приводит СДВГ. Устойчивость функциональных связей сохраняется в области срединной и латеральной групп ядер таламуса. Более слабая функциональная связь была обнаружена в области медиального дорсального, вентральных переднего и латерального ядер таламуса.
Таким образом, авторы обнаружили слабую изменчивость со временем функциональных связей зрительной коры. Достаточно сильные изменения происходили в орбитофронтальной коре, амигдале и гиппокампе. Следовательно, функциональные связи зрительной коры более прочные.
Значение функциональных связей для нормального функционирования головного мозга подчёркивается обнаружением их изменения в случае болезней. Так, при длительно существующей шизофрении временная вариативность выражена значительне, чем в случае СДВГ.
Гипотеза об аттрактивности нейросетей объясняет взаимоотношения между функциональными связями, возникающими между нейронами, их стабильность или изменчивость в связи с заболеваниями. Возбуждение от активных нейронов переходит к менее активным клеткам, и тем самым обеспечивается постоянство нейросети. Между нейронами одной области головного мозга существуют прочные функциональные связи. И если нейрон или группа нейронов формирует связь с клетками другой области, оставшиеся клетки берут на себя из функции в формировании сети. При шизофрении наблюдается снижение нейрональной активности, особенно в области префронтальной коры. Формируется нестабильность в аттрактивной нейросети. Это приводит к ослаблению внимания, и приходится волевыми усилиями удерживать его. В результате ослабляются функциональные связи в сенсорных областях. Процессы как бы сдвигаются в сторону собственных мыслей, а реакция на происходящее вокруг снижается. Введение понятия временной вариативности демонстрирует динамику изменений в головном мозге при шизофрении и способствует пониманию патогенеза тех или иных симптомов, например, какие образом нарушается внимание, почему нарушаются ассоциативные процессы.
Обнаружение при длительно текущей шизофрении высокой временной вариативности в зрительной, височной коре, в орбитофронтальной зоне и ослабление функциональных связей в височной области подтверждает, что одними из основных звеньев патогенеза шизофрении являются редукция связей между нейронами и вследствие этого усиление возбуждения. Это приводит к дестабилизации аттрактивной нейросети из-за того, что активности нейронов недостаточно для поддержания её возбуждения.
При первом приступе шизофрении происходят те же изменения ассоциативных связей, что и при длительном её течении, однако, они менее выражены. Более того, после первого эпизода не было обнаружено нарушения связей внутри первичной зрительной коры.
Снижение связанности первичной зрительной коры с другими зонами головного мозга подтверждает теорию о том, что у пациентов с длительно текущей шизофренией нарушается обработка информации по типу «bottom-up», когда визуальная информация трансформируется мозгом в образ. Восприятие концентрируется в большей степени на внутренних процессах, и человек как бы отстраняется от того, что происходит в окружающей среде.
При СДВГ авторы обнаружили слабую изменчивость ассоциативных связей в области первичной зрительной коры. Эта находка подтверждает гипотезу о том, что при данном расстройстве повышена восприимчивостью к зрительным стимулам, снижено внимание в момент выполнения длительных и кропотливых заданий, при этом возможны частые прерывания из-за внешних стимулов.
Высокая изменчивость функциональных связей в сенсорных ядрах таламуса (латеральные и срединные группы ядер), прочные дофаминовые пути между ядрами таламуса и чёрной субстанцией свидетельствуют о роли дофамина в патогенезе шизофрении. Ядра ретрансляции ассоциативной информации, напротив, имеют прочные функциональные связи. Данные изменения наблюдались как при длительно текущей шизофрении, так и при первом эпизоде. Это определяет некоторую устойчивость таламуса к шизофреническому процессу.
При СДВГ были обнаружены более прочные связи между сенсорными ядрами таламуса, что свидетельствует о прочности сенсорных путей, и слабые связи между ассоциативными ядрами, что говорит о вариативности его связей с фронтальной корой. Это приводит к нарушениям функций внимания и контроля. Таким образом, новое исследование приближает к пониманию, каким образом нарушается работа коры головного мозга при некоторых психических расстройствах.
Автор перевода: Вирт К.О.
Источник: Edmund T. Rolls, Wei Cheng, Jianfeng Feng. Brain dynamics: the temporal variability of connectivity, and differences in schizophrenia and ADHD. Translational Psychiaty.