Странности нашего мозга

Учёные из университетов Мичигана (University of Michigan) и Манчестера (University of Manchester) обнаружили в мозгах мышей "часовые клетки", которые определяют ход внутренних часов, регулирующих биологические ритмы организма.
В организме млекопитающих время "отсчитывает" регион мозга, называемый супрахиазматическим ядром (suprachiasmatic nuclei – SCN). Долгие годы биологи считали, что в течение дня клетки этого отдела посылают электрические сигналы быстро, а ночью медленно, что и определяло ход суточных ритмов. Все внутренние процессы организма якобы подстраивались под "стук" этого метронома.
Однако мичиганские математики Дэниел Форджер (Daniel Forger) и аспирант Кейси Дикман (Casey Diekman) предположили, что всё несколько сложнее, и построили компьютерную модель, соответствующую их представлениям.
Британцы Майно Белл (Mino Belle) и Хью Пиджинс (Hugh Piggins) решили проверить догадки своих американских коллег. Для этого они собрали информацию об образцах возбуждения SCN-клеток 400 мышей. Затем экспериментальные данные внесли в модель, и оказалось, что результаты предположений и реально наблюдаемых процессов совпадают.
Выяснилось, что клетки супрахиазматического ядра делятся на два типа: "часовые" и "нечасовые", активные и "молчащие". Первые производят экспрессию гена per1, вторые – нет.
Ранее биологи снимали показатели смеси этих клеток, отсюда и неверные выводы относительно их работы. Форджер и его коллеги смогли заглушить одни и "послушать" другие. В результате оказалось, что активные клетки ядра в течение дня находятся в возбуждённом состоянии, но испускают электрические сигналы только в короткие периоды на рассвете и на закате (а не постоянно, как считалось ранее). Этот всплеск мозг рассылает всему остальному организму.
Несмотря на то что в опытах принимали участие только мыши, выводы можно перенести и на человека. Ведь "внутренние часы" всех млекопитающих схожи (кстати, подтвердить результаты на людях не получится, так как SCN расположено очень глубоко в мозге и недоступно для отдельного изучения).
Больше подробностей об исследовании можно узнать из статьи авторов работы, опубликованной в Science, и пресс-релиза университета Мичигана.

Головной мозг у самцов и самок млекопитающих по-разному реагирует на изменение условий окружающей среды, в частности, на голодание. Это установили учёные из Медицинского центра университета Питтсбурга (University of Pittsburgh Medical Center).
Как обычно, исследование провели на мышах, точнее – на нейронах мозга мужских и женских особей.
Ранее учёные концентрировали своё внимание на тканях, богатых питательными веществами – это мускулатура, печень, отложения жира. В ходе исследований выяснилось, что самцы стараются сохранить в организме белки, в то время как самки основную ставку делают на жиры.
Однако такому органу, как мозг, для успешной работы необходим весь спектр питательных веществ. Для того чтобы выяснить, что же происходит с ним, Роберт Кларк (Robert Clark) и его коллеги воспроизвели в лабораторных условиях 72-часовое голодание организма. В результате в статье, опубликованной в Journal of Biological Chemistry, авторы пришли к выводу – женский мозг лучше справляется с последствиями голодания организма, нежели мужской.
Уже после 24 часов моделирования стало ясно, что мужские нейроны испытывают большие трудности: например, такой важный показатель, как клеточное дыхание, упал на 70% (против 50% у женских нейронов).
Даже по внешнему виду было заметно, что клетки мужских особей проявляют больше признаков аутофагии (процесса самопоглощения, во время которого происходит разрушение жизненно важных компонентов для использования их в качестве источника энергии). На этой странице можно посмотреть два видеоролика, иллюстрирующих клетки.
Во время нехватки питательных веществ мужские нейроны "съёдают" себя изнутри и преуспевают в этом процессе гораздо больше, чем клетки мозга женских особей. Последние, наоборот, стараются запастись жирными кислотами и триглицеридами, выживая, таким образом, дольше.

Уход за молодняком увеличивает количество нейронов в мозге женских особей, при этом самке вовсе не обязательно самой рожать потомство. К такому необычному выводу пришли биологи из университета Тафтса (Tufts University).
Роберт Бриджес (Robert Bridges), Мияко Фурута (Miyako Furuta) и их коллеги исследовали крыс. Учёным было известно, что общение с молодыми особями стимулирует проявление материнского инстинкта у многих животных: мышей, хомяков, обезьян. Люди – не исключение. Кроме того, ранее было показано, что в период вынашивания и кормления потомства у женских особей грызунов стимулируется рост новых нейронов. Однако в этот раз биологи взяли для исследования девственных животных, ранее с молодняком не общавшихся.
Крыс поместили на одной территории с чужим выводком. Через некоторое время никогда не вынашивавшие своего собственного потомства особи начали проявлять материнское поведение: возились с малышнёй, собирали их вместе, относили в гнездо и так далее.
Позже выяснилось, что у этих самок повысилось число нейронов (по сравнению с взрослыми крысами, никогда не взаимодействовавшими с малышнёй). И причина тому – даже не само материнство как таковое, а одно лишь материнское поведение.
Как это происходит и для чего, учёные пока объяснить не в состоянии. Но они связывают обнаруженное явление с выделением гормона пролактина (prolactin), стимулирующего материнское поведение и появление новых нейронов во время беременности. Возможно, увеличение клеток мозга помогает матери научиться лучше выделять своё потомство (и даже приёмышей) среди всех остальных молодых крыс.
Этот вывод был сделан на том основании, что исследованная часть мозга — субвентрикулярная зона (subventricular region) – включает клетки, влияющие на распознавание запахов (и, вероятно, запахов молодняка).
Любопытно, что крысы-няньки обладали большим количеством нейронов ещё и по сравнению с теми животными, которые, встречаясь с чужим выводком, не проявляли о нём какой-либо заботы.
Нынешние результаты, скорее всего, можно перенести и на женщин, так как мозг крысы считается подходящей моделью мозга человеческого.

Школьные учебники по биологии рассказывают, что нейроны передают информацию посредством химических сигналов, пересылаемых через синапсы, места контактов между аксонами, отростками нервных клеток. Учёные из венгерского университета Сегеда (Szegedi Tudományegyetem) обнаружили, что это не всегда так.
Биологи из Венгрии решили поэкспериментировать с нейроглиаформными клетками (neurogliaform cell), расположенными в коре головного мозга. Предыдущие исследования в данной области показали, что эти клетки блокируют работу других клеток мозга, испуская нейромедиатор под названием гамма-аминомасляная кислота (GABA), который обычно передаёт информацию через синапсы.
Однако были и отдельные свидетельства того, что этот нейромедиатор может выходить в межклеточное пространство, перенося таким образом информацию к тем нейронам, с которыми нет контакта через синапс. Никто из учёных не мог объяснить это странное явление, так как по всему выходило, что в таком случае необходимо, чтобы сразу множество нейронов испустили достаточное количество GABA.
Венгры решили разобраться в этом вопросе более тщательно. Они исследовали клетки мозга крыс и человека при помощи электронного и обычного микроскопов и выяснили, что аксоны нейроглиаформных клеток не обычные (длинные и тонкие), а ветвистые (с множеством боковых кончиков). Плотность таких аксонов сильно возрастает в тех областях, где нейромедиатор выходит в межклеточное пространство.
В своей статье, вышедшей в журнале Nature, авторы пишут, что в среде нейроглиаформных клеток GABA направлялась именно через синапс лишь в 11 случаях из 50, во всех остальных вещество распространялось примерно так же, как вода из пульверизатора.
Дополнительные эксперименты позволили выяснить и другую необычную особенность: единичная нейроглиаформная клетка могла испустить такое количество нейромедиатора, что его хватало сразу на несколько близлежащих нейронов, с которыми не было контакта через синапс.
Кстати, на самих нейроглиаформных клетках присутствуют рецепторы, чувствительные даже к небольшим дозам GABA. Это может означать, что клетки посредством этого нейромедиатора могут общаться не только с другими клетками, но и между собой. Эти же рецепторы воспринимают сигнал от нейростероидов (neurosteroid), веществ, вырабатываемых мозгом в периоды беспокойства и депрессии. Возможно, варьируя их концентрацию, мозг регулирует работу нейроглиаформных клеток.
"Большинство нынешних работ по физиологии концентрируются вокруг передачи сигналов через синапсы. Однако, как показывает нынешнее исследование, не стоит игнорировать и "обходные пути". Нельзя качественно объяснить работу мозга, если не учитывать импульсы, передаваемые через межклеточное пространство", — комментирует выводы венгерских учёных нейрофизиолог Алексей Семьянов (Alexey Semyanov) из японского института исследования мозга.

Беспрецедентные данные о работе речевого центра мозга удалось получить исследователям из университета Калифорнии в Сан-Диего (UCSD). Показания датчиков, вживлённых непосредственно в голову нескольким эпилептикам, продемонстрировали, что этот центр руководит сразу несколькими задачами.
В статье, опубликованной в Science, учёные описывают свой эксперимент с так называемой зоной Брока (Broca's area): трём пациентам с их полного согласия в мозг были имплантированы электроды.
Изначально этот метод должен был позволить врачам выявить источник болезненного состояния, щадя при этом части мозга, ответственные за другие важные процессы. Однако помимо этого открылось множество интересных подробностей.
Зона Брока оказалась гораздо более функциональной, чем предполагали учёные. Она ответственна за выполнение многих шагов, от чтения до произнесения слов. Ранее же считалось, что она участвует исключительно в речевой функции, а за восприятие слов отвечает другая область, известная как зона Вернике (Wernicke area).
При этом выяснилось, что различные свои функции данная зона активирует не одновременно, а последовательно. К примеру, она распознаёт слово за 200 миллисекунд после того, как глаз видит его. Ещё 120 мсек нужны, чтобы мысленно изменить время глагола или число существительного. Через 450 мсек мозг может проартикулировать впервые увиденное слово про себя.

Учёные обследовали 10-летнюю девочку, родившуюся с половиной мозга, и установили, каким образом она сохранила и правое, и левое поле зрения. Это единственный известный случай в мире. О раскрытии тайны сообщили Ларс Макли (Lars Muckli) из университета Глазго (University of Glasgow) и его коллеги из университета Гёте (Goethe Universität).
Отсутствие правого полушария у девочки из Германии было обнаружено в возрасте трёх лет, когда медики изучали причину слабых непроизвольных подёргиваний мышц на левой её стороне. Кроме этих незначительных проявлений ничто не указывало на дефект — девочка нормально развивалась, была общительной и весёлой, каталась на роликах.
Однако, как установили врачи, ещё в утробе матери у этой девочки по какой-то причине не смогло развиться правое полушарие головного мозга. Но самое странное, выяснили доктора, левый глаз ребёнка отлично видит, причём поставляет информацию как с левой, так и правой части поля зрения. Теперь, используя более детальную магнитно-резонансную съёмку, специалисты из Британии и Германии выяснили секрет мозга этой пациентки.
Как известно, правое и левое поля зрения обрабатываются в противоположных полушариях. При этом в зрительную кору левой части мозга поступают сигналы от правой части поля зрения каждого глаза. В правую зрительную кору, соответственно, "попадают" левые половинки поля зрения от каждого глаза.
Происходит это так: нервные волокна от назальной (внутренней) части сетчатки каждого глаза перекрещиваются в специальной зоне мозга (хиазма), а нервные волокна из височной части сетчатки остаются в своём полушарии. И потому, когда пациентам (к примеру, при лечении тяжёлой эпилепсии) удаляют часть мозга, они перестают видеть предметы, размещённые с противоположной стороны.
А вот у девочки из Германии, как показали снимки, нервные волокна из назальной части сетчатки левого глаза уходят в единственное, левое полушарие, так же как и волокна от височной части сетчатки этого же глаза. Причём в левом полушарии, в рамках зрительной коры, формирующей в норме правое поле зрения, образовался выделенный "остров" из клеток, занятых обработкой сигнала с левой половины зрительного поля.
Учёные считают, что когда во время внутриутробного развития нервные волокна от сетчатки достигли хиазмы, они не получили некие химические сигналы от правого полушария (его ведь не было), которые направили бы волокна к нему, и тогда зрительный нерв повернул к левому полушарию.
"Это исследование показало удивительную гибкость мозга, когда речь заходит о самостоятельной организации механизмов формирования визуальных отображений, — заявил Макли. — Мозг обладает удивительной пластичностью, но всё же мы были поражены, когда увидели, как хорошо одно полушарие у этой девочки адаптировано для компенсации недостающей половины. Несмотря на отсутствие одного полушария, пациентка вполне способна жить нормальной и полноценной жизнью. Она остроумна, обаятельна и умна".
Детали этого исследования учёные изложили в статье в PNAS.

Участки мозга, которые активируются, когда человек испытывает зависть или злорадство, на удивление совпали с зонами, обычно отвечающими за совсем иные реакции. Это установила группа исследователей под руководством Хидехико Такахаси (Hidehiko Takahashi) из японского Национального института радиологии (NIRS).
Экспериментаторы провели опыт на 19 студентах университета (обоих полов). Им давали читать рассказы о других якобы студентах (на самом деле — вымышленных персонажах), причём для полноты картины в разных версиях опыта пол персонажа совпадал с полом читающего, или не совпадал. Курс (и специальность, и стадия обучения) — также варьировались. Таким образом, часть персонажей выступала в роли потенциальных соперников подопытных, а часть — нет.
Все рассказы тоже делились на две категории. В первой персонажу сопутствовали успехи, во второй — неудачи (в том числе пищевые отравления и финансовые проблемы).
Одновременно с чтением учёные проводили сканирование мозга подопечных. А после него студентов просили оценить по шестибалльной шкале своё чувство зависти к персонажу (это относилось к рассказам первой категории).
Оказалось, что герои, вызывавшие наибольшую зависть, активировали в мозге подопытных переднюю часть поясной извилины — регион, играющий ключевую роль в обработке боли. То есть зависть и боль оказались физиологическими близнецами.
А вот при чтении вторых рассказов (с теми же самыми персонажами, но теперь уже неудачниками) активировался брюшной стриатум – "зона вознаграждения", которая включается, к примеру, при получении разных "бонусов" (социальных или финансовых, да и не только). Более того, учёные обнаружили, что могут легко предсказать для каждого подопытного, какие персонажи вызовут у него наибольший уровень злорадства (более сильную активацию брюшного стриатума), исходя из степени зависти при чтении первого рассказа о том же герое. Это, по мнению исследователей, говорит о тесной связи в обработке мозгом обоих чувств. (Подробности исследователи изложили в статье в Science.)