Как крабы произвели революцию в нейробиологии

Нейробиологам эти процессы показались очень похожими на те, что происходят в нервной системе человека. Некоторые специалисты стали сравнивать мозг с компьютером, а поведение – с программой, которая работает с помощью микросхем. Но каким бы удобным ни было это сравнение, скоро стало понятно, что для миллионов действий, которые способна выполнять наша нервная система, не хватит никаких «жестко смонтированных схем». В какой-то момент нейробиолог по имени Ева Мардер предложила кардинально иную теорию. Для доказательства ей потребовались желудки крабов.

О том, что деятельность мозга и работа мышц связана с электричеством, известно с давних пор. Поэтому предположение, что электрический ток протекает по сети нервных клеток, соединяющихся друг с другом и с мышцами, как по обычной электропроводке, выглядело очень заманчиво.




Мозг отдал инструкцию, она дошла по «кабелям» до нужной части тела, и та исполнила приказ. До семидесятых годов прошлого века эта идея была превалирующей в неврологии. Но затем она стала разваливаться. Такая структура управления требовала бы отдельного контура для каждого действия, например – для бега, подъема в гору, спуска по ступенькам и так далее. Имеющихся нейронов в организме для этого было бы явно недостаточно.

Кроме того, нервные системы у разных людей немного отличаются, но при этом отличия в «схемах» не сказываются на поведении – оно у всех одинаково. Наконец, несмотря на то, что некоторые нейроны сохраняются на протяжении всей жизни человека, это живые клетки, которые изнашиваются и нуждаются в замене. Но уйти на «техобслуживание», как тому же автомобилю, им при такой механике управления будет невозможно. В общем, «компьютерные схемы» попросту не могут объяснить присущую нервной системе адаптивность.

Опыты с крабами

Загадку попыталась решить профессор Брандейского университета Ева Мардер. Она сосредоточилась на изучении стоматогастрического ганглия (STG) – это примерно 30 нейронов, соединенных с желудком ракообразных. Они, по всей видимости, управляют процессом перемалывания пищи, которое происходит не во рту, а внутри желудков, где вместо зубов работают мышцы. Замечательной особенностью STG-нейронов является то, что они продолжают функционировать, даже будучи извлеченными из организма ракообразных, что делает возможным изучать эту нервную ткань в лаборатории.

Мардер воздействовала на них нейромодуляторами, в частности, дофамином. В то время считалось, что эти соединения влияют на отдельные нейроны, после чего соответствующий электрический сигнал передается по цепочке между нервными клетками вплоть до конечной точки назначения. Удобнее всего это проиллюстрировать на примере тушения пожара в деревне, когда сельчане выстраиваются один за одним и быстро доставляют ведра с водой от реки к горящему дому.



Американской ученой, тем временем, удалось выяснить, что нейромодуляторы воздействуют на группу STG-нейронов целиком, и те реагируют на них индивидуально. У одних клеток активность повышалась, а у других понижалась. Это означало, что мышцы в желудках ракообразных выдают множество разных действий после самого простого побудительного сигнала.

Выводы легко экстраполировались на нервную систему человека. Мардер показала своим коллегам, что мы можем продемонстрировать множество способов ходьбы и бега без бесчисленного количества постоянных нейронных цепочек. Таким образом выбор необычных живых существ для экспериментов позволил узнать, почему одинаковое поведение встречается у разных людей.



Если большинство лабораторных животных почти идентичны с точки зрения генетики, то о крабах и омарах сказать этого нельзя. Они покупались у обычных рыбаков и их нервные системы отличались вариативностью.

Разница в силе связи между определенными нейронами у одних особей иногда была в шесть раз больше, чем у других, но она в конечном итоге ни на чем не сказывалась, и результат после получения сигнала достигался в любом случае. Помимо всего прочего эти наблюдения показали, каким образом команды продолжают нормально проходить даже тогда, когда отмирают и меняются местами отдельные нейроны. Электричество просто передается по альтернативным маршрутам.



После того как Ева Мардер сообщила миру о своем открытии, нейробиологи начали искать решения конкретных проблем медицинского характера. Так, например, они надеются разработать способы восстановления мозга после перенесенного инсульта. Если при этом нарушении кровообращения мозг оказывается надолго лишен кислорода, некоторые его нейроны погибают. Теперь же понятно, что налаживание новых связей возможно, и это делает возможным в некторой степени компенсировать утраченное.