Мозг развился в два скачка

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.

Грант и его коллеги изучили более шестисот различных белковых молекул, образующих различные синаптические контакты млекопитающих – мышей. Сравнив этот набор синаптического протеома (набора белковых молекул) с аналогичным набором у дрозофилы, ученые пришли к поразительному выводу – только 50% белков, входящих в состав синапсных соединений человека, встречаются у беспозвоночных. Более того, у одноклеточных дрожжей, не имеющих никакого мозга, набор белков содержит 25% из синапсного набора мышей.

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.

К этому моменту уже было сформировано большинство функциональных типов синаптического протеома. Доработка его заключалась в постепенном расширении семейств генов и дифференциации сигнальных и структурных компонентов нервной системы – рецепторов, цитоскелетных модулей, модулей передачи сигнала, строительного белкового остова и так далее. Этот этап можно – очень условно, конечно, – заключить во временные рамки с миллиарда до полумиллиарда лет до наших дней.

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.

Наиболее интересным результатом ученых оказалось то, что все участки коры головного мозга подопытных позвоночных – мышей – выделяли одинаковый набор постсинаптических белков. Отличались же отдельные функциональные области мозга уровнем экспрессии отдельно взятых генов.

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.