Наш ответ Гогену. Часть третья — белковые нейронные сети: от диффузных сигнальных систем до распознавания запахов

Это третья часть в серии статей об эволюции разума. С предыдущей частью можно ознакомиться здесь ^[1].

Какими бы продвинутыми не были генные сети, описанные в первых двух главах, основной их недостаток заключается в слишком большой медлительности реакции на изменение внешних условий. С появлением биологических нейронных сетей этот недостаток был в значительной степени исправен.

В настоящее время накапливаются данные, указывающие, что нервная система независимо появилась у многоклеточных животных как минимум дважды ^[2], что подтверждает закономерность этого шага эволюции. В принципе, какие-то сигнальные системы “общения” между различными клетками в колонии уже имелись и у прокариот и, тем более, у одноклеточных эукариот. Схема соответствующего взаимодействия клеток у них в общем и целом похожая – один организм секретирует во внешнюю среду какие-то относительно простые сигнальные молекулы или пептиды, а рецепторы ^[3], расположенные на мембране другого организма из распознают и активизируют экспрессию генов, которые отвечают за “правильный” ответ. Таким образом, например, дрожжи могут искать полового партнёра, а бактерии запускать коллективный синтез антибиотика или согласованно начать процесс образования спор, что бы попытаться пережить трудные времена.

По-видимому, в некоторых из таких колоний одноклеточных эукариот постепенно формировалось всё более тесное сотрудничество между отдельными клетками, что в итоге привело к ситуации, когда совместно выживать в составе многоклеточного организма для них стало выгоднее, чем по одиночке. Одним из первых таких организмов, принадлежащих к царству животных, возможно, был трихоплакс ^[4]. Он представляет из себя что-то вроде тонкой бесформенной пластинки с характерным диаметром в несколько миллиметров и толщиной всего около 25 мкм, медленно перемещающейся по дну водоёмов в поисках пищи с помощью ресничек, расположенных на его поверхности. Найдя пищу, например, в виде колонии бактерий, трихоплакс останавливается над ней, выделяет ферменты для её внешнего переваривания, после чего через некоторое время начинает всасывать получившиеся питательные вещества. Его тело состоит всего из трёх слоёв клеток шести различных видов, а выглядит он при достаточно сильном увеличении примерно вот так.

Несмотря на тривиальность строения своего тела, трихоплакс способен перемещаться в сторону света и увеличения концентрации пищи, останавливаться над потенциальной пищей, находиться на одном месте в процессе питания, и возобновлять движение после его завершения. Это указывает на то, что, несмотря на отсутствие нервной системы, все его клетки способны действовать скоординированно, что требует обмена сигналами между ними. Как выяснилось относительно недавно, указанная координация осуществляется путём обмена информацией между клетками с помощью так называемых нейромедиаторов ^[5] – простых молекул и коротких цепочек аминокислот (пептидов ^[6]) которые могут эмитироваться одними клетками, и восприниматься соответствующими рецепторами, расположенными в других клетках. Сейчас известно, как минимум, о восьмидесяти пяти различных нейромедиаторах, которые могут быть использованы для передачи информации у трихоплакса. На данный момент, это больше, чем у любого другого исследованного животного. Возможные причины такого разнообразия нейромедиаторов у трихоплакса мы рассмотрим немного ниже.

Основной недостаток сигнальных систем диффузионного типа похожих на ту, которая есть у трихоплакса, заключается в их неизбирательности. Они подобны общению группы людей по УКВ радиостанции с её ограниченным набором частот, при котором любой, имеющий другую УКВ радиостанцию, настроенную на ту же волну, может принимать излучаемый ею сигнал, но одновременное общение между разными абонентами ограничено числом выделенных для этого частот (каналов связи). Более того, если возникнет необходимость передать информацию на расстояние, превышающее дальность надёжной связи (а оно в этом диапазоне составляет лишь несколько десятков километров), придётся многократно дублировать одно и то же сообщение от одного радиолюбителя к другому. Указанные неудобства могут быть ещё терпимы для относительно небольших по размерам и простых по собственному устройству многоклеточных организмов, но на определённом этапе увеличения их сложности они становятся уже критическими.

Выход из этой ситуации был найден природой в изобретении классической нервной системы, появление которой можно сравнить с появлением высокоскоростных каналов связи (DSL, оптические кабели), к настоящему времени уже опутавших почти весть земной шарик. Благодаря им мы сейчас можем почти мгновенно обмениваться информацией с выбранными именно нами абонентами, находящимися на многие тысячи километров от нас. Аналогом оптических кабелей в нервной системе выступают аксоны ^[7], передающие сигналы между нейронами со скоростью и точностью, немыслимой для диффузных систем.

Рассмотрим очень кратко, как это работает. Обычно природа ничего не изобретает с нуля, стараясь адаптировать для новых функций уже существующие решения. Так и в нашем случае за основу был взят более древний механизм передачи информации посредством нейромедиаторов уже существующий, например, у того же трихоплакса. У любой нервной клетки ^[8] есть один аксон, представляющий из себя очень длинный по сравнению с размерами самого нейрона выходной отросток, длина которого может достигать метра и даже более (!), который на конце разделяется на несколько отростков меньшей длины. Они, в свою очередь, вплотную примыкают к “входным” отросткам тех нейронов, которым нужно передать возбуждение ^[9], так называемым дендритам ^[10].

Собственно между отростками аксона и дендритами передача сигнала осуществляется чисто химическим путём, в общем и целом, примерно так же, как и у трихоплакса, а именно, после прихода электрического импульса синаптические липидные пузырьки (везикулы ^[11]), расположенные на конце отростков аксона, выделяют находящиеся внутри них нейромедиаторы в межклеточное пространство (так называемую синаптическую щель). Эмитированные медиаторы, в свою очередь, действуют на рецепторы, расположенные на дендритах нейрона, которому нужно передать информацию. Так как щель между аксоном и дендритом очень узкая, процесс передачи происходит почти мгновенно, по крайней мере, по сравнению с системами диффузного типа.

Не нашедшие своих рецепторов медиаторы потом закачиваются обратно в аксон и вновь помещаются в везикулы.

Глобально все медиаторы делятся на три класса – возбуждающие (например, аминокислота глутамат ^[12]), тормозящие (например, гамма-аминомасляная кислота ^[13]) и модулирующие. Суть возбуждающих и тормозящих нейромедиаторов, в принципе, понятна уже из их названия – первые повышают вероятность возбуждения нейрона, на который они действуют, вторые, наоборот, её понижают. Осуществляется это за счёт того, что срабатывание их рецепторов либо понижает разность потенциалов между внутренней и внешней сторонами мембраны нейрона (тогда они возбуждающие), либо, её повышает (тогда они, соответственно тормозящие). Третий класс нейромедиаторов регулирует саму чувствительность нейрона к попыткам воздействовать на него как в сторону возбуждения, так и в сторону торможения. Типичным примером такого медиатора является дофамин ^[14].

Так как один и тот же нейрон может одновременно получить сигналы сразу от нескольких других нейронов, которые с ним взаимодействуют, итоговый эффект в нулевом приближении определяется их суммарным воздействием с учётом интенсивности и знака их сигналов а так же влияния модулирующих медиаторов. Если итоговое суммарное воздействие превысит некоторый порог, ионы кальция, концентрация которых на внешней стороне мембраны нейрона гораздо выше, чем внутри, устремляются внутрь клетки, что приводит к генерации нового электрического импульса, распространяющегося уже по его аксону. Таким образом, сигнал может путешествовать по сети от нейрона к нейрону достаточно долго, что, по сути, и является электрохимическим механизмом реализации условных и безусловных рефлексов ^[15], и, в конечном итоге, нашего с вами разума.

Скорость передачи информации в нервной системе тех животных, у которых она есть, на порядки превышает соответствующую скорость реагирования у трихоплакса, и в наиболее продвинутом варианте с миелиновой обёрткой ^[16] аксона и усилителями сигнала в виде перехватов Ранвье ^[17], характерном для позвоночных животных, может достигать 100 м/сек. Любопытно, что конкретный тип нейромедиатора для животных с нервной системой, по видимому, не имеет особого значения, важен лишь факт передачи и сила самого сигнала между двумя нейронами. Конкретно у человека наиболее распространённым возбуждающим нейромедиатором является аминокислота глутамат, оно активна как минимум в 90% синапсов. Из нейромедиаторов, оказывающих тормозящее действие, на первом месте у нас гамма-аминомасляная кислота, которая, в свою очередь, контролирует более 90% синапсов, в которых отсутствует глутамат. 

Большое разнообразие типов нейромедиаторов у трихоплакса, скорее всего, объясняется тем, что в его организме непосредственная передача информации от клетки к клетке невозможна, и по этой причине, ему приходится кодировать сигналы напрямую типом нейромедиатора.

Есть два особых типа нейронов – сенсорные нейроны ^[18], которые получают информацию о внешнем мире непосредственно от рецепторов многоклеточного животного, регистрирующих стимулы в виде звуковых, световых, тактильных, обонятельных и т.д. сигналов, и моторные нейроны ^[19], которые получают от нервной системы сигналы о необходимых действиях (сокращение или расслабление тех или иных мышц, выработка ^[20] определённых гормонов) и посылают их непосредственно в клетки, которые должны их исполнить.

Основное преимущество животных с нервной системой заключается в возможности гораздо более быстрой адаптации к изменениям в окружающей среде за счёт наличия у них нейронной памяти, которая на порядки быстрее и больше по объёму, чем геномная. Считается, что существует три разных вида нейронной памяти – кратковременная, рабочая (оперативная) и долговременная.

Кратковременная память ^[21] позволяет удерживать информацию в нейронной сети несколько секунд (по некоторым данным, даже до нескольких десятков секунд). Наиболее популярная гипотеза механизма её реализации гласит, что она соответствует возникновению в мозге замкнутых циклических цепочек возбуждения, включающих одни и те же нейроны, то есть, информация ходит как бы по кругу, и пока этот поток взаимного возбуждения нейронов не иссякнет, человек (или другое животное) может сохранять некий образ, соответствующий входному сигналу.

Основным механизмом, поддерживающим циркуляцию в сети нейронов импульсов возбуждения, судя по всему, является то обстоятельство, что концентрация кальция в цитоплазме вовлечённых в цикл нейронов не успевает вернуться к своему нормальному значению до прихода следующего импульса, что облегчает их повторное возбуждение. Но это возможно лишь пока действует стимул ^[22], например, если вы всё время заставляете себя мысленно повторять ФИО нового знакомого, пока не успели записать их в свой блокнот или телефон.

Оперативная память соответствует сохранённым в мозгу событиям, произошедшим от нескольких минут до нескольких часов тому назад. Её механизмы на нейронном уровне в точности не известны, некоторые исследователи считают её частным случаем долговременной памяти ^[23].

Наиболее важные события, произошедшие за день, сохраняются в долговременной памяти ^[24], и в некоторых случаях могут там остаться на всю оставшуюся жизнь. Хранится долговременная память, по сути, в виде информации о весах межнейронных связей. При этом, она динамична, и регулярно корректируется как за счёт запоминания новой информации путём усиления уже существующих связей и появления новых, так и за счёт забывания (ослабление связей, которые кодируют уже неактуальную информацию, постепенное разрушение не нужных связей).

Сами механизмы целенаправленной корректировки силы и знака межнейронных связей пока известны далеко не полностью. Опишем кратко один из них, вероятно, наиболее изученный на примере так называемого импринтинга ^[25]. Как было показано экспериментально, первый движущийся объект, который цыплёнок видит в своей жизни, сразу запоминается им навсегда, и он рефлекторно всюду следует за ним, считая его своей мамой.

На нейрофизиологическом уровне этот рефлекс ^[26] обеспечивается за счёт того, что при активации движущимся объектом определённых групп нейронов в мозгу цыплёнка, они выделяют в синапсы соответствующий медиатор (глутамат), который, в свою очередь, действует на рецепторы, расположенные на дендритах контактирующих с ними других нейронов. Эти рецепторы в ответ, посредством ряда промежуточных этапов, в итоге активируют в ядрах своих нейронов гены, отвечающие за сборку и синтез новых рецепторов глутамата. После встраивания новых рецепторов в мембрану дендритов все нейроны, участвующие в цепочке, возбуждаются ещё больше, то есть, возникает положительная обратная связь, быстро закрепляющая нужные межнейронные контакты.

Очень важным элементом мозга позвоночных животных является гиппокамп ^[27]. Судя по всему, именно этот отдел их мозга отвечает за выбор того, что из текущего состояния оперативной памяти нужно запомнить, а что нет, то есть, в компьютерных терминах, что из оперативной памяти целесообразно бэкапнуть на винчестер. Если нарушить нормальную работу гиппокампа, например, с помощью электрического шока, человек не может вспомнить ничего из того, что с ним происходило за несколько часов до этого. Есть данные, что гиппокамп помогает запоминанию наиболее важных событий примерно по тому же механизму, по которому работает импринтинг, регулярно реактивируя активность в тех цепочках нейронов, которые хранят следы наиболее неожиданных или сильно эмоционально окрашенных эпизодов прошлого.

Итак, мы очень конспективно описали устройство нервной системы на самом нижнем уровне, то есть на уровне его наиболее элементарных объектов – нейронов и связей между ними. Мы так же буквально вскользь описали основные типы нейронной памяти, которые принято выделять в настоящее время, и предположительные механизмы их формирования. Поднимемся теперь на один уровень выше, и посмотрим, в какие структурные единицы следующего уровня иерархии они организуются.

Здесь мы видим достаточно логичную картину – чем позже в процессе эволюции появилось животное, тем из большего числа структурных единиц состоит его нервная система, и тем сложнее сами эти структуры. Например, у млекопитающих отдельные локальные нейросети регулируют функционирование всех органов – сердца, лёгких, кишечника, эндокринной системы и т.д. По сути, это отдельная сложная система, функционирующая независимо от нашего сознания, и имеющая собственное название – вегетативная ^[28]. Физически она локализована внутри всего позвоночного столба начиная от копчика, в котором находится нервный центр ^[29] управления активностью мочеполовых органов, и заканчивая верхними позвонками, в которых другой нервный центр управляет рефлекторным сужением наших зрачков при сильном свете.

У простейшего хордового животного, ланцетника ^[30] нервная система фактически состоит только из позвоночного отдела с небольшим утолщением на конце из которого у его отдалённых эволюционных потомков впоследствии разовьётся мозг. Он, по видимому, развивался шаг за шагом, новые отделы появлялись один за другим, последовательно надстраиваясь над передним концом позвоночника. Одной из первых, судя по всему, появилась система восприятия запахов. Она устроена достаточно примитивно, и у млекопитающих не использует даже наиболее продвинутую часть их мозга – неокортекс ^[31].

Обонятельная система ^[32] известна уже у рыб, причём, у них она настроена, в первую очередь, на восприятие так называемых феромонов ^[33] – молекул, которые выделяют животные при обмене информацией с другими особями своего вида. В частности, они могут свидетельствовать о поиске полового партнёра, страхе, агрессии и т.д., то есть, некоторых самых базовых эмоциональных состояниях животного.

Путь информации в обонятельной системе начинается от рецепторов, реагирующих на присутствие в среде определённых молекул, и находящихся в разных, часто достаточно удалённых частях слизистой оболочки нашего носа. Далее, через отходящие от них аксоны, сигналы об обнаруженных запахах передаются так называемым митральным нейронам ^[34].

Промежуточной станцией при этом является обонятельная луковица ^[35] в которой дендриты, отходящие от митральных нейронов, контактируют с аксонами рецепторных нейронов. Обычно каждый митральный нейрон собирает информацию в интервале от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч рецепторных нейронов (чем больше это число, тем чувствительнее обонятельная система). При этом, локализация внутри носа самих рецепторов, роли не играет.

Далее сигналы от митральных клеток поступают для анализа в кору головного мозга, так называемое миндалевидное тело, являющееся частью лимбической системы, отвечающей за формирование эмоций ^[37], а так же гиппокамп, который, как уже отмечалось выше, определяет, какие воспоминания нужно записать в долговременную память, а какие можно быстро забыть.

Кора головного мозга, в свою очередь, делится на так называемую древнюю кору ^[38] (палеокортекс) и новую кору (неокортекс). Как очевидно из названия, палеокортекс эволюционно более древний, чем неокортекс, появившийся лишь у млекопитающих, то есть, всего около 200 млн. лет назад. Именно в древней коре и происходит завершающий этап анализа запахов. Она устроена проще неокортекса, и обычно состоит из двух-трёх слоёв, в отличии от шести слоёв в новой коре млеков.

Причины прямой связи системы распознавания запахов с блоком мозга, ответственным за некоторые базовые эмоции и гиппокампом можно понять, если учесть, что некоторые из них, например, страх, были очень полезны для выживания, но реагировать зачастую нужно было очень быстро, без рефлексии. Чего тут думать, тут трясти надо! По этой причине воспоминания о каком-то запахе ^[39], связанные со страхом быть съеденным хищником, или, скажем, отравиться ядовитой пищей, могли быть экстремально полезны для выживания вида. Видимо, именно поэтому иногда какой-то характерный запах может неожиданно вызвать в памяти, казалось бы, давно забытые воспоминания (так называемый феномен Пруста ^[40]).

Любопытно, что когда провели более-менее всеобъемлющий анализ генома человека, то выяснилось, что в нём формально кодируется около тысячи генов, предназначенных для распознавания нашими рецепторами различных молекул. Примерно столько же типов рецепторов запахов обнаруживается и в геноме мышей. Но, при этом, у нас сейчас из них фактически нормально функционируют лишь примерно четыре сотни, остальные это псевдогены ^[41], в то время как мыши сохранили в рабочем состоянии почти все свои детекторы запахов. Видимо, когда-то мы могли различать гораздо больше запахов, но впоследствии утратили восприимчивость ко многим из них, перераспределив ресурсы нервной системы на другие каналы информации о внешнем мире. А вот для мышей, которые ведут, в основном, ночной образ жизни, обоняние имеет гораздо большее значение, чем для нас, поэтому, нюх у них гораздо лучше нашего, а зрение, наоборот, хуже.

Но кроме количества различаемых запахов важна и чувствительной к ним, то есть, при какой минимальной концентрации соответствующих молекул мы способны их учуять. Как выяснилось, данный порог может существенно варьироваться у разных людей. Примерно у 10% представителей человечества чувствительность обоняния оказывается гораздо выше среднего по больнице. Некоторые из них, например, способны диагностировать по запаху, исходящему от человека, его заболевание, причём, зачастую ещё за несколько лет до того, когда оно будет диагностировано официально. Причины этого, по-видимому, могут быть разными. Например, как выяснилось в одном исследовании ^[42], у людей с “супернюхом” достаточно часто наблюдаются мутации в регуляторной области гена KAL1 ^[43], ответственного за синтез и правильную миграцию к их “местам обитания” упомянутых выше митральных нейронов. Если соответствующие мутации приводят к их переизбытку, чувствительность к запахам у человека с подобной мутации может существенно возрастать. Так что, история, показанная в фильме Парфюмер ^[44], не совсем уж высосанная из пальца.

На этом на сегодня закончим. В следующей статье мы рассмотрим зрительную и слуховую системы, расположенные в новой коре млекопитающих, мозжечок, отвечающий за координацию движений у позвоночных, а так же некоторые общие принципы работы нашего мозга и его эволюции с точки зрения обработки в нём информации.