Трудности, с которыми неизбежно придется столкнуться современной микроэлектронике, заставляют ученых искать альтернативные пути создания вычислительных машин. Многие эксперты видят будущее за системами, имитирующими нейронную мозговую деятельность. Однако если воссоздать отдельный синапс «в железе» ученым удалось, то понять принципы формирования архитектуры мозга и исходные точки его эволюции пока еще никому не удавалось.
По мнению ученых из Эдинбургского университета и Университета Кили в Великобритании, причина отсутствия какого-либо прогресса в этой области кроется в том, что мы привыкли смотреть на эволюцию мозга от самых простых беспозвоночных до человека, как на линейный поступательный процесс. Движение вверх по эволюционному древу, по мнению большинства специалистов, сопровождалось постепенным увеличением количества нейронов в мозгу, усложнением способа их связи – при том, что сами нейроны и синапсы, их связывающие, идентичны и у лягушек, и у человека.
Группа профессора Сета Гранта впервые попыталась оценить качественные изменения в строении синапсов, сопровождающие эволюцию мозга от простейших к многоклеточным и далее к позвоночным. Статья ученых вышла в свет в последнем выпуске журнала Nature Neuroscience.
По их мнению, вес мозга, его объем и площадь поверхности – далеко не главные факторы, определяющие его возможности запоминать, мыслить, реагировать и так далее.
Развитие способностей центральной нервной системы и головного мозга обязано, в первую очередь, усложнению химического аппарата передачи нервных импульсов.
Причем такое усложнение происходило в истории эволюции жизни в две хорошо очерченные стадии: образование большого набора синапсных белков, работавших одинаково во всех участках мозга, а затем – специализация этих участков, заключавшаяся в постепенной подстройке уровня синтеза каждого белка в том или ином участке.
(от греческого «рукопожатие») – место контакта между двумя нейронами, или между нейроном и эффекторной клеткой, получающей сигнал. Служит для передачи нервного импульса между двумя клетками, в ходе которого сигнал может подвергаться изменению.
Термин был введен в 1897 году английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.
Типичный синапс – аксо-дендритический химический. Такой синапс состоит из двух частей: пресинаптической, образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки и постсинаптической, представленной контактирующим участком цитолеммы воспринимающей клетки (в данном случае – участком дендрита).
Между обеими частями имеется синаптическая щель, края которой укреплены межклеточными контактами. Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели называется пресинаптической мембраной. Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны называется постсинаптической мембраной.
В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, т. н. синаптические пузырьки содержащие медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения) или фермент, разрушающий этот медиатор. В постсинаптическую мембрану встроены молекулярные рецепторы к тому или иному медиатору.
При прохождении импульса по синаптической мембране повышается её проницаемость, а из синаптических пузырьков освобождается медиатор, который выходит в синаптическую щель и соединяется с молекулярными рецепторами постсинаптической мембраны, индуцируя на ней возникновение нервного импульса. Медиатор действует в течение очень короткого времени, после чего из синаптических пузырьков освобождается фермент, разрушающий медиатор в синаптической щели. Одновременно часть медиатора перемещается через постсинаптическую мембрану (прямой захват) и в обратном направлении через синаптическую мембрану (обратный захват).
Открыты два механизма высвобождения, с полным слиянием везикулы с плазмалеммой (клеточной мембраной), и так называемый «поцеловал-и-убежал» (англ. kiss-and-run), когда везикула соединяется с мембраной, и из нее в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, по нему происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.
Следствием такой структуры синапса является односторонее проведение нервного импульса. Существует так называемая синаптическая задержка – время, нужное для передачи нервного импульса. Ее длительность – 0,5 мс.
Наличие этих 25% у организмов, вовсе не имеющих синапсов, может вызвать вопросы у неспециалистов, однако на сегодняшний день регуляторные функции клетки и белки, которые их выполняют, хорошо известны. Так, дрожжам они нужны для выработки ответной реакции на сигналы о состоянии окружающей среды, такие, например, как сокращение питательных ресурсов или изменение уровня кислотности питательной среды.
Эволюция одноклеточных организмов потребовала выработки дополнительного количества белковых молекул для передачи сигнальных импульсов и реакции на внешние раздражители. Так около миллиарда лет назад появились многоклеточные беспозвоночные животные. Спустя полмиллиарда лет наработка новых типов белковых молекул, способных участвовать в передаче нервных импульсов, привела к появлению позвоночных и дифференциации мозговой ткани, а в дальнейшем – и специализации различных участков коры головного и спинного мозга на отдельных функциях.
В соответствии с этими наблюдениями, ученые смогли предложить двухступенчатую модель развития мозга млекопитающих и человека.
Главные компоненты системы синаптичеких связей зародились еще в одноклеточных эукариотах, где выполняли сигнальные функции и функции реагирования на внешние раздражители. Постепенное усложнение и увеличение количества внешних раздражителей, а также необходимость адаптации и освоения новых экосистем потребовали от одноклеточных выработки более гибкого аппарата реагирования и вылились в итоге в дифференциацию тканей организма и появление многоклеточных организмов.
термин для обозначения полного комплекта белков (протеинов), имеющихся в организме. Молекулы белков управляют всеми обменными процессами, протекающими в организме – пищеварением, выработкой гормонов или электрическим возбуждением нервных клеток и пр. Любые молекулярно-биологические процессы, происходящие в организме, отражаются в протеоме. Термин был предложен в 1994 году австралийским исследователем Марком Уилкинсом.
Исследование протеома – крупный международный научный проект. В 2001 году для работы над ним была создана международная Организация протеома человека (Human Proteome Organization / HUPO). Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга.
Дальнейшее же усовершенствование, приведшее к появлению позвоночных, заключалось в специфической для каждого вида «доводке» синапсной системы, основа которой была выработана ещё беспозвоночными. Достигалось это заменой и увеличением числа генов, отвечающих за синтез той или иной функциональной молекулы.
перенос генетической информации от ДНК через РНК к полипептидам и белкам – иначе говоря, считывание гена и последующий синтез кодируемого им белка. Вариациями в экспрессии часто называют отличия в объёме производимого клеткой того или иного типа белка.
Судя по всему, именно таким образом позвоночным удалось добиться развития большой и сложной нервной системы, где отдельные виды нейронных тканей отвечают определенной функциональности.
Пока что остается непонятным, чем был обусловлен переход от интенсивного пути развития синаптической системы, подразумевающего синтез новых белковых молекул, к экстенсивному, формирующему специализацию мозговой ткани на основе изменения уровней экспрессии. Возможно, природа сочла его достаточным, а может быть, это обусловлено неким пределом качественной информации, которую может нести в себе геном земных живых существ.
На многие вопросы о строении и структуре мозга ученым еще предстоит ответить, однако уже сейчас данные профессора Гранта помогут в изучении и борьбе с ментальными расстройствами.
