Мозг. Такой ли он особенный?

Не стоит заострять внимание на том, что коэффициент энцефализации оказался не самым лучшим коррелятом когнитивных способностей среди животных, не принадлежащих виду Homosapiens. Для многих специалистов и для большинства неспециалистов запись «самый большой мозг для своего тела» остается в верхней строке списка «признаков, делающих человеческий мозг особенным». В конце концов, если более крупные животные обладают более крупным мозгом, а гориллы почти в три раза больше нас по размерам тела, то, значит, их мозг должен быть в три раза больше нашего, но почему-то это наш мозг в три раза больше, чем у гориллы. Джерисон привнес в этот вопрос ясность: человеческий мозг чрезвычайно большой для тела, в котором он находится.

Этого мало? Примем в расчет энергию, которую потребляет человеческий мозг, – около 500 килокалорий в сутки. Это почти 25 % той энергии, которую потребляет весь наш организм, – это совершенно непропорциональный расход, если учесть, что мозг по массе составляет всего 2 % от массы человеческого тела. Для сравнения: мозг мыши (который по массе составляет всего 1 % массы тела) стоит мыши всего 8 % всей потребляемой энергии[27]. Человеческий мозг очень дорог.

Список отличительных черт человеческого мозга продолжает расти по мере того, как все больше и больше ученых в разных областях науки присоединяются к поиску того, что лежит в основе наших замечательных умственных способностей. «Нейроны фон Экономо» были сначала обнаружены в передней поясной коре человеческого мозга, в области, осуществляющей когнитивный и эмоциональный контроль поведения; кроме того, эти нейроны были найдены у высших обезьян, но они отсутствуют у остальных приматов и других млекопитающих[28]. «Нейроны фон Экономо» были очень скоро объявлены главным отличительным признаком человеческого мозга; их даже – правда, осторожно – связали с сознанием[29]. Но, когда были проведены более обширные исследования, выяснилось, что эти нейроны есть и у других приматов[30], и, на самом деле, они есть у животных с мозгом большим и меньшим, чем у человека[31].

Особенности человеческого мозга не ограничиваются его нейронами. В 2009 году Нэнси Энн Обергейм и ее коллеги обнаружили, что человеческие астроциты, глиальные клетки, играющие важную роль в синаптической передаче информации между нейронами, намного крупнее астроцитов других приматов и грызунов, а это означает, что наши астроциты должны поддерживать функцию большего числа синапсов, чем астроциты других видов животных[32]. Возможно, что вся причина отличий кроется просто в размере мозга; Обергейм и ее коллеги не исследовали мозги более крупные, чем у человека, и, возможно, окажется, что астроциты слона еще больше наших. Тем не менее человеческие астроциты, похоже, «лучше», чем астроциты грызунов; когда клетки-предшественники человеческих астроцитов пересаживали в развивающийся мозг мышей, они (клетки) развивались в человеческие, крупные, астроциты, и такие мыши демонстрировали высокую способность к быстрому обучению[33].

На более высоком уровне организации, где нейроны объединяются в сети, человеческий мозг тоже отличается от мозга вторых по успешности участников гонки, с которыми часто сравнивают мозг человека, – от мозга шимпанзе. Например, «нейропиль», фракция мозговой коры, объединенная синаптическими связями, у человека больше, чем у шимпанзе[34], хотя, быть может, это обусловлено всего лишь большими размерами человеческого мозга, и дело здесь вовсе не в нашей особенности. Некоторые ученые сообщают о специфических для человека участках головного мозга и сетях, которые отсутствуют в мозге низших обезьян[35], хотя другие исследователи с этим не соглашаются[36]. С другой стороны, мозг таких далеко отстоящих друг от друга видов, как люди, обезьяны, кошки и даже голуби, организован очень сходно в виде локальных сетей с похожими узлами, где осуществляется сбор и распределение поступающих сигналов, – такими узлами являются, например, префронтальная кора и гиппокамп[37].

Совсем недавно основное внимание ученых было обращено на наш генетический набор, и эти исследования породили длинный и продолжающий расти список генов, специфичных для человека, то есть генов, которых нет у нашего ближайшего родственника шимпанзе. Ученые надеются, что в этих генах скрывается секрет нашей уникальности. В список входят гены, контролирующие размер головного мозга[38], образование синапсов[39], развитие речи[40], клеточный метаболизм[41], а также такие человеческие морфологические признаки, как форма кисти и положение большого пальца[42].

Однако в 2003 году, когда я заинтересовалась разнообразием строения головного мозга и его эволюцией и, в частности, сравнением человеческого мозга с мозгом других видов, я поняла, что, несмотря на огромное число сложных данных о генах, функциональных областях и индивидуальных типах клеток, мы все же не понимаем главного: из чего состоит мозг – сколько в нем нейронов, как много глиальных клеток в каждой мозговой структуре. Мы не имели представления о том, каково число нейронов, обрабатывающих информацию, в единице объема человеческого мозга, в сравнении с мозгом других видов. Если оставить в стороне генетические и клеточные частности, то, может быть, наши непревзойденные, замечательные когнитивные особенности определяются замечательным числом нейронов?

2. Мозговой суп

Таким было положение вещей, когда я заинтересовалась, из чего состоит головной мозг и чем замечателен человеческий мозг в сравнении с другими: оказалось, что никто не занимался такими сравнениями. Дело в том, что при таком впечатляющем списке необычностей мы, конечно, были особенными.

Меня, молодого биолога, такая ситуация сильно удручала. Удручало то, что многие мои коллеги-неврологи принимали утверждение о человеческой уникальности без рассуждений, не пытаясь даже его как-то обосновать. Со времен Дарвина мы стремимся понять правила, приложимые ко всем живым существам, понять ограничения, которым подвержена любая живая материя. Мы осознали, что за фасадом разнообразия всех млекопитающих стоит основной, наследуемый набор генов, который это многообразие ограничивает: яблоко не может упасть далеко от яблони. Но если эти эволюционные ограничения накладываются и на людей, то как смог человеческий мозг, он один, быть одновременно таким же объектом эволюционных законов, как и мозг других видов, но и совершенно другим, обладающим способностями оценивать материал, из которого мы состоим, и искать, и находить метафизические истоки нашего существования, в то время как другие животные, в буквальном смысле слова, живут накрепко привязанные к земле?

К первому десятилетию двадцать первого века необычные признаки, такие как относительный размер, величина потребления энергии и генетический набор, определяющий развитие головного мозга, казались необходимыми для объяснения наших удивительных когнитивных способностей, потому что те скудные данные, что были получены в предыдущем столетии относительно сравнения человеческого мозга с мозгом других животных, снова и снова подтверждали, что в мозге человека нет ничего особенного. По техническим причинам сравнение ткани мозга разных биологических видов в течение десятилетий ограничивалось оценкой плотности нейронов на срезах мозговой ткани, то есть оценивали число видимых под микроскопом нейронов на срезе определенной площади. Немногочисленные ученые, и среди них Дональд Тауэр и Герберт Хауг, исследовали плотность нейронов в коре головного мозга самых разнообразных видов млекопитающих и не обнаружили в мозге человека ничего такого, что принципиально отличало бы его от других млекопитающих. С точки зрения анатомии это означало, что вещество нашего мозга по своему строению не слишком сильно отличается от строения мозга других животных. Если это так, то наше превосходство может объясняться чем-то другим, выходящим за рамки обычного, как, например, относительным избытком массы мозговой ткани по отношению к массе тела или относительно большим потреблением энергии, как если бы мозг был высокоскоростным компьютером.

Возможно, однако, причина того, что человеческий мозг кажется таким обыкновенным, заключается в том, что людей просто сравнивали не с теми видами, как, например, сравнивали бы яблоки с апельсинами. В своей первой работе Дональд Тауэр[43], а позднее Герберт Хауг[44] позволили себе вольность сравнивать мышей, кроликов, кошек, коров, китов, обезьян и людей друг с другом, не считаясь с возможностью того, что если существуют очевидные различия между грызунами, хищниками, парнокопытными, китообразными и приматами, то, вероятно, между ними могут наблюдаться по меньшей мере некоторые внутренние отличия, которые, возможно, распространяются и на их мозг. Гарри Джерисон поступил так же, как упомянутые авторы. Такие сравнения находились в полном согласии с основополагающим допущением о том, что мозг всех млекопитающих устроен в принципе одинаково, что находит свое выражение в общем соотношении между размером мозга и числом нейронов, – и по этому признаку мозг человека не отличается от мозга других млекопитающих. Хотя об этом никогда не говорили прямо, в двадцатом веке, что следует из обычной практики неразборчивого сравнения мозгов самых разнообразных видов, господствовала надежда на то, что мозг всех млекопитающих – крупных и мелких – был увеличенным или уменьшенным вариантом одного и того же основного плана строения.

Но что если это не соответствует действительности?

Действительно ли все мозги устроены одинаково?

Давайте на время забудем об энцефализации, расточительном потреблении энергии и, отступив, снова попробуем разобраться в фундаментальных вещах. Немного критического мышления достаточно для того, чтобы понять, что все мозги не могут быть устроены одинаково и характеризоваться одинаковым и универсальным отношением между размерами мозга и числом нейронов. Естественно, каждый мозг состоит из нейронов, мельчайших счетных единиц, обрабатывающих информацию и передающих ее в крупные обширные сети, которые нейроны образуют в головном мозге. Информация попадает в нейроны через синапсы, причем на каждый нейрон приходится от 10 до 100 тысяч синапсов. Информация, проходящая через все эти синапсы, сходится на теле нейрона, который затем обрабатывает ее и передает результат следующему нейрону. Несмотря на то что обладание многими синапсами увеличивает гибкость в обработке информации и повышает ее возможную сложность, разумно предположить, что в конечном итоге счетная способность мозга данного биологического вида в гораздо большей степени лимитирована числом нейронов, нежели числом их синапсов[45].

Если бы у всех млекопитающих мозг был устроен одинаково, то два мозга одинаковой величины содержали бы одинаковое число нейронов, одинаковым образом распределенных по структурам мозга. И если числа нейронов ограничивают когнитивные способности, то коровы и шимпанзе, обладающие мозгом массой около 400 г, должны, по этой идее, обладать сходными умственными способностями. Однако очень трудно изобрести способ сравнения когнитивных способностей животных разных видов. Когнитивные тесты должны быть экологически значимыми для испытуемого вида: надо учитывать не только частные интересы вида, но и анатомическое строение тела (имеет ли животное копыта, когти, пальцы или крылья), а потом перевести полученные данные на стандартный язык для возможности сравнения[46]. К слову сказать, мы достаточно хорошо знаем оба этих вида и можем заподозрить, что шимпанзе отличаются от коровы намного более богатым, гибким и сложным поведенческим репертуаром. Если, конечно, коровы не живут очень насыщенной внутренней жизнью и настолько умны, что не позволяют нам видеть, как они предаются глубоким размышлениям, когда пасутся на лугах. Это весьма маловероятно, учитывая, что коровы, предназначенные на убой, мирно пасутся, а шимпанзе, живущие в неволе, изобретают массу трюков, чтобы одурачить служителей зоопарков. Отсюда ясно, что два мозга сравнимого размера отнюдь не обязательно обладают сходными когнитивными способностями.

Но давайте продолжим, потому что дальше все становится еще хуже. Если бы мозги всех млекопитающих были устроены одинаково, отличаясь только размерами общего, универсального плана, то тогда мозги большего размера должны обладать большим числом нейронов, чем маленькие мозги, а поскольку нейроны являются элементарными счетными единицами мозга, постольку более крупный мозг, по одной этой причине, должен обладать большими когнитивными способностями. Но выясняется самая досадная из всех проблем, имеющих отношение к размеру мозга: человеческий мозг не является самым большим. Более того, он далеко не дотягивает до звания чемпиона по размеру и массе мозга, и поэтому вычисление коэффициента энцефализации было встречено с таким энтузиазмом: этот показатель, как казалось, помогал разрешить этот парадокс. По меньшей мере у тринадцати видов мозг такой же, как у нас, или весит больше наших полутора килограммов, а самый большой мозг, массой 9 кг, обнаружен у кашалота, таким образом, он в шесть раз больше нашего. Однако превосходят нас не только китообразные: мозг африканского слона весит около 5 кг, то есть более чем в три раза больше, чем наш.

Эти нестыковки указывают на то, что не все мозги устроены одинаково, не являются объектами одного масштаба, – именно это заставило меня заподозрить, что мы не знаем, как именно устроены мозги животных разных биологических видов. Несмотря на то что в литературе описано множество исследований, касающихся объема и площади поверхности мозга различных видов[47], а также есть масса статей, посвященных плотности нейронов в мозговой коре[48], данные о числе нейронов в мозге весьма скудны. В частности, я не смогла найти оригинальный источник, подтверждающий часто повторяемое число «100 миллиардов нейронов человеческого мозга». В лучшем случае это можно считать лишь приблизительной оценкой порядка величины. В 1988 году Роберт Уильямс и Карл Херруп оценили число нейронов человеческого мозга величиной «около 85 миллиардов нейронов», основываясь на подсчетах, сделанных для коры головного мозга и мозжечка, но этих авторов постоянно неверно цитируют, утверждая по-прежнему, что число нейронов в человеческом мозге составляет круглую величину в 100 миллиардов клеток. В 2003 году я консультировалась с несколькими уважаемыми неврологами, большинство которых верует в 100 миллиардов, но ни один из них не смог указать мне оригинальный источник этого числа. Позже я встретилась с самим Эриком Кэнделом, в чьем классическом учебнике «Принципы неврологии»[49] приведена та же цифра с добавлением: «…и в 10–50 раз больше глиальных клеток». Когда я спросила Эрика, откуда он взял эти данные, он сослался на своего соавтора Тома Джессела, писавшего главу, в которой они приведены, но я так и не смогла поговорить с самим Джесселом. Очевидно, была выполнена частичная аппроксимация, которую приняли за допустимый порядок величины, и стали оперировать ею, как реальным числом. Шел уже 2004 год, но никто точно не знал, сколько на самом деле нейронов содержится в человеческом мозге.

Теперь думается, что десятикратное численное превосходство глиальных клеток является еще большим мифом, чем представление о 100 миллиардах нейронов. Согласно мифу, если в мозге в целом действительно содержится 100 миллиардов нейронов, то в нем должен быть и один триллион глиальных клеток. К 2004 году было уже известно, что на каждый нейрон серого вещества церебральной коры человека приходится менее двух глиальных клеток, а в мозжечке этот показатель еще ниже – 0,1 клетки[50]. Это означало, что один триллион глиальных клеток должен располагаться в полосатом теле, промежуточном мозге и стволе головного мозга, то есть в структурах, которые все вместе весят меньше 200 г. Если бы это было так, то на 1 мг мозговой ткани должно приходиться около пяти миллионов глиальных клеток, но, по всем данным, полученным к 2004 году, плотность глиальных клеток ни в одном отделе мозга не превышала 100 тысяч на 1 мг мозговой ткани. Популярная оценка в 100 миллиардов нейронов и в десять раз большего числа глиальных клеток человеческого мозга, как мне кажется, стала результатом игры ученых в испорченный телефон, когда ранняя приблизительная оценка числа нейронов и отношения глия/нейроны вышла из-под контроля, и удобное круглое число прочно завладело воображением неврологов, нейрофизиологов и широкой публики.

Одной из причин отсутствия фактических и достоверных оценок числа клеток является то, что единственным относительно надежным способом подсчета клеток в то время был стереологический метод с использованием, например, «оптического фракционатора». Этот метод в то время считался самым надежным. Оптический фракционатор состоит из введенных в тонкий срез ткани виртуальных трехмерных зондов, которые выделяют известную малую долю всего объема ткани; потом подсчитывают число клеток в пробе, а затем экстраполируют результат и получают общее число клеток во всем объеме ткани. Этот метод очень хорош для тканей с относительно равномерным распределением клеток или, по крайней мере, с небольшими вариациями плотности в разных участках пробы. В высшей степени гетерогенное распределение нейронов в разных структурах головного мозга, однако, делает стереологические методы малопригодными для этой цели – для определения числа клеток в целом мозге. Плотность нейронов может варьировать, различаясь в тысячу раз в области ствола и в мозжечке. Даже внутри одной и той же структуры, например в мозжечке, в различных слоях нейроны упакованы с разной плотностью. Для того чтобы в такой ситуации пользоваться стереологическими методами, необходимо разделить мозг на сотни структур сравнимой плотности, а затем взять из них очень большое число проб. Это было бы непомерно дорого даже для крупной лаборатории. Мне же было еще труднее, потому что у меня не было ни лаборатории, ни денег.

Как считать клетки, не имея лаборатории?

Когда я впервые занялась подсчетом клеток, я не была нейроанатомом и стереология была очень далека от сферы моих интересов. В 2003 году у меня не было лаборатории, не говоря уже о деньгах. Тогда я всего год работала в Федеральном университете Рио-де-Жанейро в должности ассистента профессора научной информации. Приблизительно такой же работой я занималась предыдущие три года в Музее науки в Рио, после весьма многообещающего начала научной карьеры. Бакалавриат я заканчивала по специальности «вирусология» в Федеральном университете в Рио, затем поработала в генетической лаборатории в Кливлендском университете, после чего подруга увлекла меня нейробиологией, и я занялась вопросами развития нервной системы, что продолжалось два года в лаборатории Кливлендского университета, где я прошла магистратуру. Потом я уехала в Германию, где получила степень доктора философии по нейрофизиологии зрения, работая в лаборатории Вольфа Зингера в Институте исследования мозга имени Макса Планка во Франкфурте. Решив не заниматься дальше осцилляторными ответами нейронов, я уехала в Рио, к своему тогдашнему мужу, где устроилась на должность приглашенного ученого в Музей Жизни. Мой муж в то время, после защиты докторской диссертации, работал в университете в лаборатории Роберто Лента. В течение трех лет после возвращения в Рио я руководила практическими занятиями детей, приходивших в музей, создала сайт и написала мою первую книгу по нейробиологии для широкого круга читателей, в результате чего меня пригласили на работу в альма-матер. Первым моим заданием стало руководство молодыми учеными на ниве научных коммуникаций, но в отделе кадров мне намекнули, что я, если пожелаю, смогу заниматься и научной деятельностью.

Я сразу же ухватилась за это предложение. Мое любопытство подстегивалось литературными изысканиями по теме, которая захватила меня во время работы в музее. Я подумала, что лучшим способом приступить к работе будет непосредственное знакомство с посетителями и выяснение вопроса о том, что они знают о мозге. Сказано – сделано: в 1999 году я провела среди 2000 респондентов опрос на тему: «Знаете ли вы свой мозг?»[51]. Это был отпечатанный вопросник из 95 коротких утверждений типа: «Сознание невозможно без мозга», «Наркотики вызывают зависимость, потому что действуют на мозг» и «Разум – продукт духа, а не мозга», на которые были даны по три ответа: «Да», «Нет», «Не знаю». Одно из утверждений выглядело так: «Мы используем только 10 % своего мозга» – на него 60 % уроженцев Рио ответили «да». Я была удивлена: я знала, что эту броскую фразу часто использовали в научно-популярных журналах и даже в публицистике, но не догадывалась, что она настолько захватила воображение публики, особенно при том, что это миф. Мы все время, каждую секунду используем все 100 % нашего мозга, учась, развиваясь, достигая великих целей и даже во сне. Просто в разные моменты времени мы используем его по-разному.

Но что если только 10 % – или даже меньше – клеток мозга – это нейроны? В «Принципах нейробиологии» было сказано следующее: мы располагаем 100 миллиардами нейронов и в 10–50 раз большим числом глиальных клеток, и это стало таким общепринятым «фактом», что нейробиологам было вольно начинать свои обзорные статьи с упоминания этого факта, но без всяких ссылок на источники. Это мнение стало эквивалентным утверждению, что гены состоят из ДНК, – это превратилось в избитую, известную всем «истину». Но если у нас в десять раз больше глиальных клеток, чем нейронов, то нейронов у нас приблизительно 10 % от всех клеток мозга, и если нейроны – это те клетки, которые нужны для осуществления когнитивных функций (от этого высказывания у специалистов по глии округлились бы глаза), то на самом деле можно говорить о том, что мы используем только 10 % всех клеток головного мозга.

Но что если это все-таки неправда?

Я перелистывала литературу в поисках оригинальных исследований о том, сколько клеток содержится в мозге, и чем больше я читала, тем лучше понимала, что того, что я ищу, попросту не существует. При великом множестве идей на эту тему и даже при кажущемся всеобщем согласии мы в действительности не понимали того, насколько много клеток в мозге, и еще меньше понимали, как следует сравнивать человеческий мозг с мозгом животных других видов.

Стереология не дала ответа на этот вопрос и, скорее всего, не даст, и к тому же я не имела возможности ею заняться. Но что если ею и не надо заниматься? Среди прочитанного мной я наткнулась на сделанные в семидесятые годы попытки определить количество клеток в мозге путем экстракции ДНК из ткани мозга, определения ее количества и деления полученного результата на среднее содержание ДНК в клеточных ядрах. Действительно, таким образом можно было оценить число клеток в мозге[52]. Да, это должно было сработать, но единственное, о чем я могла думать, – это о том, как мои преподаватели и наставники, выделяя ядра из клеточных культур, говорили: «Нет, не надо мерить количество ДНК, надо считать ядра!» У меня тем не менее появилась идея. Я решила превратить мозг в суп.

Ответ плавает в супе

Чтобы преодолеть главное препятствие при подсчете клеток мозга – гетерогенность их распределения в ткани, я буквально растворила эту гетерогенность в детергенте. Я решила, что если мне удастся растворить в тканях только клеточные мембраны, но оставить в неприкосновенности ядерные мембраны, то я смогу превратить мозг в суп со свободно плавающими в нем клеточными ядрами, которые можно легко посчитать, набрав для этого всего несколько аликвот (небольших объемов) взвеси, которую можно гомогенизировать простым встряхиванием. Так как каждая клетка в головном мозге располагает одним и только одним ядром, то если мне удастся узнать, сколько в мозге клеточных ядер, одновременно я узнаю, сколько в нем клеток. Если бы только у меня была лаборатория…

Роберто Лент, заведующий отделом анатомии и один из руководителей, взявших меня на работу, определенно располагал лабораторией – и, по иронии судьбы, он в это время заканчивал работу над учебником, называвшимся по-английски «Сто миллиардов нейронов». Когда я спросила его, откуда он взял это число, Роберто, как я и ожидала, не смог ответить. «Как бы вы отреагировали, если бы я сказала вам, что знаю, как правильно посчитать клетки?» Роберто отреагировал великолепно. Он не только выслушал мою странную идею, но и дал мне место в своей лаборатории, разрешив пользоваться оборудованием и расходными материалами, несмотря даже на то, что, если моя идея оказалась бы верной, ему пришлось бы менять название руководства (что он позже и сделал), и это получилось у него очень легко. Правда, первое издание уже с успехом разошлось в Бразилии к тому времени, когда был получен результат, но в следующих изданиях к заглавию был просто добавлен вопросительный знак: «Сто миллиардов нейронов?».

На полке в лаборатории валялся забытый кем-то кухонный блендер, а человеческие мозги можно было без труда взять в отделении патологической анатомии в соседнем университетском корпусе. Конечно, я планировала начать с растворения мозгов мышей и крыс, что на первых порах исключало использование блендера; тем не менее каждый раз, входя в лабораторию, я бросала взгляд на блендер и спрашивала себя: «Неужели в один прекрасный день я действительно брошу человеческий мозг в блендер и разотру в мелкий порошок то, что составляло самую сущность человека?» Картина грубого, быстрого и полного уничтожения человеческого мозга не давала мне покоя. Но я все-таки убедила себя, что в конечном счете растворение мозга не так уж сильно отличается от его разрезания на десятки тысяч мелких кусочков, что рутинно делают все анатомы для того, чтобы готовить тонкие срезы мозга для микроскопических исследований. Разница заключалась в том, что это будет не разрезание на мелкие кусочки, а растворение с разделением ткани мозга на еще более мелкие части, на клеточные ядра. Кроме того, по протоколу исследования мне не надо было бросать в блендер большие куски мозга. Скорее, это было похоже на приготовление льда: мозг предстояло рассечь на тонкие пластинки, пластинки на мелкие кубики, а уже кубики растереть в мелкую кашицу.

Вначале мне все же пришлось использовать маленький блендер. Выделение клеточных ядер – это стандартная биохимическая процедура, и я воспользовалась протоколом, который предусматривал глубокое замораживание крысиных мозгов в жидком азоте, для того, чтобы расщепить клеточные мембраны, а затем твердые куски ткани я помещала в ручной блендер. Результат было легко предвидеть: кусочки замороженного крысиного мозга разлетались по всей лаборатории. Превращение же мозга в суп и подсчет всех клеток будут возможны только в том случае, если мне удастся не потерять ни единого ядра. Потери кусочков замороженного мозга, пусть даже они прилипали к крышке блендера, были абсолютно неприемлемы.

Измельчение слегка зафиксированной ткани в ручном стеклянном гомогенизаторе (рис. 2.1) было намного более перспективным. Фиксация в формальдегиде сшивает молекулы белков в тканях, делает их жесткими и прочными. Поскольку ядерная мембрана содержит много белка, она очень хорошо фиксируется формальдегидом и приобретает устойчивость к мощным физическим воздействиям. Первые попытки со свежими, незафиксированными тканями показали мне, что представляют собой разрушенные ядра: они превращались в хлопья свободной ДНК, которая под микроскопом выглядит окрашенной в синий цвет, так как для окраски ядер я применяла краситель DAPI. Препараты из фиксированных в течение всего нескольких часов тканей сохраняли большую долю интактных ядер, но все же многие из них разрушались.

Рис. 2.1. Стеклянный гомогенизатор тканей выглядит как стеклянные цилиндрические ступка и пестик. В таком устройстве гомогенизируют (размалывают до гомогенного состояния) ткань головного мозга

Я нашла решение после того, как начала фиксировать ткани в течение двух недель. Эта идея спасла всю работу: если даже короткая фиксация сохраняла какое-то количество ядер целыми, предохраняя их от разрушения в гомогенизаторе, то тщательная, длительная фиксация делала ткани плотными, как камень, и можно было надеяться, что все до единого ядра оставались целыми в процессе обработки, а это и было целью всего предприятия. Наконец все сработало: когда в каждом опыте я стала получать приблизительно одинаковое число ядер, я поняла, что у меня получился новый, весьма эффективный метод подсчета клеток.

После некоторого обдумывания таких деталей, как сбор ядер и перенос в градуированные пробирки без ощутимых потерь, у меня в руках был стабильный протокол опытов. Он состоял из рассечения твердого, фиксированного мозга на более мелкие, анатомически и функционально значимые области, например на кору целиком, мозжечок, обонятельные луковицы и «остальное» (пока). После взвешивания каждая часть рассекалась на тонкие срезы, затем на мелкие кубики, что облегчало процесс растирания: оно производилось в среде детергента Тритон-Х100 между стеклянными стенками гомогенизатора, что позволяло разрушать клеточные мембраны, но сохранять мембраны ядерные. Двадцать минут вращательно поступательных движений поршнем в цилиндре – и я получала мутную, но без хлопьев жидкость, содержащую взвесь ядер. Мозг был окончательно превращен в суп. Следующий шаг заключался в тщательном сборе ядер – не должно было пропасть ни одно ядро, подлежащее учету. Для этого я несколько раз промывала поршень в цилиндре, потом отсасывала пипеткой ядерный осадок на дне цилиндра, затем снова промывала поршень, снова отсасывала жидкость и так несколько раз, до тех пор пока не получала определенный объем, содержащий все ядра. К этой жидкости я добавляла краситель для окрашивания ДНК, а затем физиологический раствор до объема, который можно было легко определить в градуированном цилиндре. Окрашивание остатка последней промывной жидкости после окрашивания DAPI позволяло убедиться в том, что в гомогенизаторе не осталось больше ядер. Все ядра всех клеток ткани – окрашенные и собранные – находились теперь в известном объеме, готовые к подсчету. Теперь оставалось только встряхнуть суспензию, чтобы равномерно распределить ядра по объему, а потом выбрать несколько аликвот для подсчета и экстраполировать результат на весь объем.

Подсчет свободных клеточных ядер методом флуоресцентной микроскопии не требует специальной подготовки: ядра – это округлые объекты, превосходящие размерами бактерии и митохондрии. Пользуясь гемоцитометром, представляющим собой закрываемую покровным стеклом камеру, имеющую объем 4 нл (4 миллионных доли миллилитра), на дне которой вырезано 25 квадратных углублений, я могла легко посчитать, сколько ядер находилось в 100 нл взвеси, и по пропорции вычислить, сколько ядер содержится во всем известном объеме. Для подсчета ядер под микроскопом в четырех аликвотах у меня уходило 10 минут. Учитывая, что я делала суспензию гомогенной легким встряхиванием перед отбором аликвот, коэффициент вариации составлял меньше 0,10, то есть стандартное отклонение четырех подсчетов составляло не более 10 % от среднего числа клеток в каждой из четырех проб. При таком небольшом отклонении оценка общего числа клеток была так же надежна, как и подсчет клеток стереологическим методом.

Имея на руках число клеток, я воспользовалась тем преимуществом, что существуют антитела, которые специфически связываются с белком, который экспрессируется исключительно в клеточных ядрах нейронов и только в них. Этот белок называют нейрональным ядерным белком (neuronal nuclear protein – NeuN). Он был открыт в 1992 году[53], когда его функция была еще неизвестна[54]. У NeuN есть одно важное свойство, которое позволило мне надежно считать экспрессию NeuN маркером всех нейронов, и только нейронов, – присутствие NeuN можно выявить связыванием его специфическими антителами, окрашенными красным красителем и добавленными в суспензию. Это потребовало реакции небольшого количества суспензии с меченными красным красителем анти-NeuN-антителами, и спустя несколько часов я уже могла снова поместить ядра под микроскоп для того, чтобы определить, какой процент всех ядер (окрашенных ранее в синий цвет) принадлежал нейронам (которые теперь были окрашены в красный цвет). Подсчета 500 ядер (что заняло ровно пятнадцать минут) хватило для определения процента нейронов с точностью до 0,2 %. Приложив это процентное отношение нейронов к общему числу клеток в выбранных структурах, я получила общее число нейронов в них. Вычтя это число из общего количества клеток, я получила число всех остальных клеток в ткани (вероятно, это было число глиальных клеток). Сложив результаты, полученные для каждой структуры – а я начала с простого разделения целого мозга на мозговую кору, мозжечок и все остальное, – я впервые в истории получила прямую оценку общего числа нейронов и других клеток в целом мозге крысы. Вся процедура была выполнена меньше чем за один рабочий день.

Я была страшно взволнована. Я теперь знала то, чего в этот момент не знал ни один человек в мире: сколько клеток содержится в целом мозге крысы.

Возник, правда, еще один вопрос: насколько достоверны эти данные, а достоверность в нейроанатомии означает сравнение полученных данных с данными, полученными стереологическим методом. Сравнение было невозможно для тех областей мозга, которые недоступны стереологическому исследованию; в конце концов главной целью создания нового метода и была возможность исследовать те области, где была неприменима стереология. К счастью для нас, в литературе нашлось несколько работ со стереологическими оценками количества нейронов в коре и мозжечке крысиного мозга. Наши результаты были сопоставимы с данными этих работ.

В 2004 году Карл Херруп, работавший в то время в Кливлендском университете, приехал на организованный Роберто и мною в Кашамбу (Бразилия) симпозиум, посвященный важности проблемы определения числа клеток в головном мозге. Карл давно интересовался подсчетом клеток в мозжечке – это его любимый отдел мозга, – но оставил эту идею в связи с отсутствием адекватного метода (мозжечок является плохим объектом стереологического метода из-за высокой плотности расположения крошечных нейронов в зернистом слое, которые расположены настолько тесно, что сливаются при рассматривании их под микроскопом). Карл был научным руководителем одной моей близкой подруги, и благодаря этому я когда-то смогла получить место в его лаборатории и всегда считала его моим неофициальным наставником. Когда в Кашамбу я объяснила Карлу суть моего метода подсчета мозговых клеток, он улыбнулся: «Я думал о чем-то подобном несколько лет назад. Я хотел использовать цитометрию в потоке для подсчета клеток, выделенных из ткани. Но серьезно этой проблемой я так и не занялся. Вы меня опередили, и я рад, что у вас это получилось!» Узнав, что статья о работе уже готова, но не опубликована, Карл сразу же вызвался стать ее редактором в Journal of Neuroscience. А в 2005 году после тщательного обсуждения статьи коллегами Роберто и я получили оттиск статьи, напечатанной в одном из самых авторитетных журналов в этой области биологии[55].

Несмотря на то что превращение мозга в суп для подсчета общего числа клеток в мозге давало результаты, сравнимые с таковыми, полученными стереологическим методом (там, где такие результаты были), а полученные данные становились все более и более убедительными по мере того, как мы анализировали мозг других биологических видов, наш метод столкнулся с довольно сильным сопротивлением со стороны некоторых специалистов, особенно тех, кто видел, как их любимые теории рушатся перед лицом данных об ином количестве клеток в мозге. Рецензенты и критики хотели видеть одно и то же доказательство – параллельное сравнение нового метода с проверенным стереологическим методом. Я не имела опыта в стереологии, поэтому самостоятельно не смогла бы осуществить такое сравнение еще в течение многих лет. Однако в конце концов, что было к лучшему, не я доказала нашу правоту. Это было сделано независимо от нас в 2014 году Кристофером фон Бартхельдом из университета Рено, а также Дэниелом Миллером и моим будущим сотрудником Джоном Каасом из университета Вандербильта в Нэшвилле[56]. С тех пор как мы с Джоном начали сотрудничать в 2006 году, в его лаборатории была разработана автоматизированная модификация нашего метода подсчета клеток с применением флоуцитометра[57]. Джон и Крис показали, что, по меньшей мере, наш новый метод превращения головного мозга в суп не только так же точен, как стереологический, но он требует меньше времени, более надежен и прост в выполнении[58]. Кроме того, как и было задумано, наш метод позволял получать надежные результаты для сложных гетерогенных структур, как, например, головной мозг, которые невозможно анализировать стереологическими методами[59].

Новый метод между тем не был назван «методом мозгового супа». Нам было сказано, что этот метод похож на жидкостную версию оптического фракционирования – стереологического метода, в ходе выполнения которого ткани рассекают на срезы, срезы на блоки, а блоки помещают в оптические пробы, и только после этого начинается подсчет клеток. Мы с Роберто тоже поняли, что наш метод должен быть назван «фракционированием». Поскольку мы пошли дальше подсчета клеток в кубиках ткани и расщепили кубики на самые мелкие составные части – ядра, я предложила название «окончательное фракционирование», но Роберто мудро отклонил его. Дело в том, что мы превратили гетерогенную ткань в гомогенную, то есть «изотропную», суспензию ядер, и он предложил другое название – «изотропное фракционирование». Это название осталось за неимением лучшей альтернативы. Не кто иной, как Карл Херруп, заметил мне, что название получилось очень неуклюжим, и я с ним согласилась. Там, где это возможно (а это случается нечасто, так как редакторы научных журналов не любят нарушений формальностей), я предпочитаю называть метод тем, чем он является на самом деле, – методом «мозгового супа».

3. У вас есть мозги?

Теперь, когда в моем распоряжении был метод подсчета мозговых клеток, мне были нужны мозги – и не только человеческие. Мне нужны были мозги широкого спектра других видов для того, чтобы сравнить их с человеческим мозгом: как еще могли мы обнаружить, что наш мозг содержит больше нейронов, чем мозг животных объемом больше нашего, например мозг слона? Мне также хотелось понять эволюционное происхождение разнообразия мозга у разных видов: одинаково ли отношение между размером мозга и числом нейронов у всех млекопитающих, с одинаковой ли скоростью увеличивается число нейронов в разных мозговых структурах, существуют ли универсальные фундаментальные законы, определяющие, из чего состоит мозг. Для достижения этой цели требовались образцы мозга возможно большего числа видов – маленькие и очень маленькие, большие и очень большие – многих групп млекопитающих, помимо общепринятых лабораторных животных: мышей, крыс и, реже, обезьян.

Конечно, надо было с чего-то начать и было очень удобно, что в виварии Института биомедицинских исследований в Рио были не только крысы и мыши, но также хомячки и морские свинки – четыре вида грызунов с восьмикратным разбросом массы тела и девятикратным разбросом массы мозга. Это был хороший старт: я знала, что в нескольких масштабных сравнительных исследованиях клеточного состава мозга, в частности в работе Дональда Тауэра и Герберта Хауга, все млекопитающие сравнивались так, словно они принадлежали одному виду, а мне хотелось избежать этой ошибки (Гейнц Штефан и его команда в Германии все же позаботились о том, чтобы отделить приматов от насекомоядных и летучих мышей в своих исследованиях, но и они привели лишь волюметрические данные, пренебрегая данными денситометрическими, которые могли бы дать хотя бы приблизительное представление о числе нейронов). Так как нам были доступны четыре вида грызунов, я решила, что для начала займусь только ими. Но нам было нужно нечто большее, в частности, нам был необходим мозг очень крупных грызунов, если мы хотели выявить количественные отношения, характерные для построения мозга животных этого отряда.

Здесь нам очень повезло: самый крупный грызун обитает в Южной Америке – это капибара (Hydrochoerus hydrochoerus, «водосвинка», рис. 3.1), бесхвостый бурый мохнатый клубок размером с немецкую овчарку, с квадратной мордой, совершенно не похожий на крыс и других грызунов, если не считать огромных, характерного вида резцов. Это общительное стадное животное обитает на мелководье пресных озер и рек в бассейне Амазонки. При приближении змей или крупных кошачьих – своих врагов – капибара прячется под воду, выставив на поверхность одни только ноздри. К счастью, капибара не является угрожаемым видом. Мясо капибары идет в пищу и считается даже лакомством, особенно на северо-западе Бразилии. Недавно капибар видели в лагунах Рио-де-Жанейро, и они стали настоящей чумой для Кампинаса (штат Сан-Паулу). Говорят, что для того, чтобы получить официальное разрешение на отлов или на охоту на капибар, надо пройти круги бюрократического ада. Кроме того, капибары полюбились публике, которая страшно радуется, завидев их в воде, и мне не хотелось омрачать эту радость. Изучать разнообразие мозга я собиралась не всю жизнь, и мне были не нужны негативные упоминания в прессе о моей скромной особе.

Рис. 3.1. Капибара (Hydrochoerus hydrochoerus) – самый крупный в мире грызун (слева) и агути (Dasyprocta primnolopha) – четвертый по величине грызун (справа)

Как раз в то время, когда я начала искать фермы, на которых разводили капибар для ресторанов Северо-Запада, Роберто Лент, мой сотрудник, получил новость от Кристовау Пикансо-Диниза, своего коллеги из Федерального университета в Белем-ду-Пара, в Северной Бразилии. Бразильское ведомство по возобновлению природных ресурсов и защите окружающей среды захватило двух капибар, которых нелегально выращивала на мясо одна семья, и уже хотело как-то от них избавиться, когда сотрудникам ведомства пришло в голову поинтересоваться у Кристовау, который изучал сенсорные представительства в головном мозге, не нужны ли ему капибары (нет, я не знаю, каким был ход мыслей сотрудников). Кристовау знал о новом направлении наших исследований по сравнительной анатомии мозга и предложил нам мозг этих капибар. Его студенты, напялив выданные им мясницкие фартуки, забили животных, и нам прислали их головы в большом пластиковом контейнере, залитые раствором параформальдегида. Это было страшное и зловонное послание, но мы радовались как дети: у нас теперь был мозг капибары!

Любезность Кристовау этим не исчерпалась. Он снабдил нас еще двумя экземплярами мозга другого крупного амазонского грызуна – агути (Dasyprocta primnolopha; рис. 3.1). Это довольно злобное животное размером с домашнюю кошку, которое во время еды сидит на задних лапах и держит еду двумя передними лапами, как крыса. Это четвертый в мире по величине грызун, который уступает североамериканскому бобру и южноамериканской паке, но при массе тела 3–4 кг он нам идеально подходил. Теперь у нас была партия из шести грызунов разных видов с массой тела от 40 г (лабораторная мышь, Mus musculus) до более чем 40 кг (капибара) и с массой мозга от 0,4 до 75 г (что можно сравнить с массой головного мозга макака). Теперь оставалось превратить все эти мозги в суп.

Такой же примат, как мы

Как новичок в этой области, я не могла представить себе тогда всю реальную важность числа нейронов и других клеток, которое мы теперь могли определить у разных видов грызунов. Я чувствовала, что теперь, имея возможность исследовать клеточный состав мозга разных видов, мы находимся на пороге чего-то важного, но мне хотелось послушать мнение и других специалистов. Так как в то время мы еще не успели опубликовать описание нашего метода «изотропного фракционирования» и данные исследования мозга шести грызунов, мне надо было поговорить с кем-то лично и объяснить, что мы делаем.

Возможность представилась в марте 2004 года, во время нашего пребывания на симпозиуме, организованном Международным институтом нейробиологии Мигеля Николели. Институт расположен в Натале – на северо-востоке Бразилии. Джон Каас, ведущий специалист по эволюции мозга приматов и старинный друг Мигела, должен был выступать на симпозиуме. Я подошла к нему сразу после выступления – я, не знакомая с ним лично и не принадлежавшая ни к одной из школ в этой отрасли, – и прямо, без обиняков и вступлений, спросила: «Что если я скажу, что располагаю очень простым способом подсчета нейронов в целом мозге, в целой коре и в любой структуре на выбор? Насколько, по-вашему, это важно?» Джон широко раскрыл глаза и, откинув назад голову, внимательно посмотрел на меня из-за крошечных очков. Теперь я знаю, что это признак сильного удивления. «Мы давно ищем способ подсчета, но пока никому не удалось этого сделать». Это было все, что я хотела услышать. По крайней мере, мы были на пути к чему-то очень полезному.

Позднее, в том же году, мы представили свои первые результаты по мозгу грызунов в Мекке нейробиологии – на ежегодном собрании Нейробиологического общества в Соединенных Штатах. Джон и его ассистент Кристина Коллинз подошли к нашему стенду, и мы заговорили о возможном сотрудничестве в исследовании числа нейронов мозга разных видов приматов, которые были доступны в лаборатории университета Вандербильта. После того как в 2005 году была опубликована наша статья об изотропном фракционировании, на следующем симпозиуме общества, где мы с Роберто представили второй стенд об изменении числа нейронов в развивающемся мозге крысы, Джон, Кристина и я встретились снова. Теперь планы приглашения меня в университет Вандербильта для начала активного сотрудничества стали более серьезными. Три месяца спустя я уже была там.

Шел январь 2006 года. Кристина Коллинз и еще один ученый, доктор Бейян Вонг, уже приготовили фиксированные образцы мозга нескольких видов приматов, готовых к измельчению и превращению в суп. Кроме того, они подготовили всю необходимую лабораторную посуду и реагенты, а также зарезервировали время для работы с микроскопом, так что к работе мы приступили сразу. Через три дня я пришла в кабинет Джона с открытым ноутбуком и показала первые графики сравнения мозга мармозеток, галаго и ночных обезьян (мозг у всех этих обезьянок очень мал и легко превращается в суп). Эти графики были добавлены к нашим (тогда еще не опубликованным) данным о мозгах грызунов. Результаты оказались весьма многообещающими: в мозгах этих приматов было упаковано больше нейронов, чем в мозгах грызунов, причем мозги имели сопоставимые размеры. Стало ясно, что мозг приматов устроен не так, как мозг грызунов. «Значит, это на самом деле работает!» – воскликнул Джон, откинув голову и широко раскрыв глаза. Я улыбнулась, все еще держа в руках ноутбук. «Так вы не ожидали, что это будет работать, не так ли?» Он непринужденно признался, что это так. «Но теперь вы получите все, что вам нужно. Просто назовите, что именно!»

Так начался подлинный праздник. Мы отложили несколько полушарий мозга различных видов приматов, включая несколько образцов, взятых у разных видов макак. Эти образцы я должна была забрать домой и проанализировать в своей новенькой – пусть и крошечной – лаборатории в Рио. Джон представил меня Кену Катания, своему бывшему ученику, биологу, работавшему в университете на правах экстраординарного профессора биологии. У Кена была целая колония голых кротовых крыс – жутких созданий, которые обитают в туннелях и метрополитене. Кен, кроме того, часто выезжал в экспедиции, где отлавливал насекомоядных (землероек и кротов). Мы начали сотрудничать в определении числа нейронов в мозге этих млекопитающих, которых сейчас в номенклатуре называют eulipotyphla, а раньше называли insectivore. К этому отряду относятся самые мелкие в мире млекопитающие. Кристина и Бейян приступили к препарированию зрительных и слуховых структур в коре и подкорке мозга разных видов, и теперь мы смогли исследовать, как изменялась численность нейронов в этих сенсорных путях в процессе индивидуального развития. Действительно ли по мере увеличения массы головного мозга приматов зрение начинает преобладать над слухом, как предполагалось в отношении в высшей степени визуальных высших обезьян? (Оказалось, что это не так, хотя мы выяснили, что зрение у них действительно преобладает: у животных-приматов в мозге в пятьдесят раз больше нейронов, отвечающих за обработку зрительных стимулов, чем нейронов, обрабатывающих слуховую информацию[60].) Я совершила налет на холодную комнату Джона, где обнаружила ненужные ему мозжечки и обонятельные луковицы. Лаборатория Джона специализирована для изучения мозговой коры, но, по счастью, лишние части мозга не были выброшены. (В следующем году, когда я вернулась с полным набором данных, который надо было превратить в печатную статью, мы начали собирать образцы спинного мозга животных, забитых с другими целями. Спинной мозг был нам нужен для выявления отношений между размерами тела и числом нейронов, которое требуется для того, чтобы им управлять[61].) Когда я во время первого визита оказалась в холодной комнате Джона, я обнаружила там четыре больших мозжечка – один гориллы и три орангутана, которые лет десять пролежали в ведре с параформальдегидом. Будучи весьма устойчивой молекулой, ДНК до сих пор присутствовала в ядрах, и поэтому ядра сохранили способность к окрашиванию DAPI, а, значит, мы могли их подсчитать, несмотря на длительное хранение. Я бросилась в кабинет Джона: «Можно мне их забрать?» «Конечно, можно», – ответил он. И вот теперь снова наступило Рождество.

Сотрудничество с Джоном перевернуло и изменило всю мою жизнь. Он очень мягкий человек, добрая душа, человек, добившийся огромных результатов в науке – как в области пластичности взрослого мозга, так и в области эволюционной нейроанатомии. Теперь же он, по его собственным словам, просто хочет «получать от науки удовольствие». Он немедленно принял участие в публикации нашей первой работы по грызунам в Proceedings of the National Academy of Sciences в 2006 году. Он начал говорить в кругах нейроанатомов мирового уровня о наших новых данных, именно он позаботился о том, чтобы я выступила с основным докладом на симпозиуме по эволюции головного мозга в 2010 году, где я наконец лично познакомилась с ведущими исследователями в области сравнительной и эволюционной нейроанатомии. Я уверена, хотя и никогда не спрошу, а он не ответит, что это он номинировал меня на премию фонда Джеймса МакДоннелла, которую я получила в том году, – беспрецедентную (по бразильским меркам) сумму в 600 000 долларов, которые я могла по своему усмотрению направить на исследования нейроанатомических основ когнитивного превосходства человеческого мозга. Моими достижениями я больше всего обязана влиянию Джона в этой отрасли науки, но надо честно признать, что мои данные не были бы опубликованы, а мои достижения признаны, если бы они того не стоили. Я безусловно благодарна Джону, и мы до сих пор получаем удовольствие от исследования эволюции головного мозга, как он того и хотел. Мы уже совместно опубликовали четырнадцать научных работ и, надеюсь, не остановимся на этом.

Африканские животные, крупные и мелкие

Использование приматов в наших исследованиях было большим шагом вперед и шагом необходимым, если мы хотели понять, является ли мозг человека стандартным мозгом приматов. Но мне хотелось поработать с большим спектром видов, чтобы изучить механизмы, порождающие эволюционное разнообразие. В этом контексте мне часто упоминали одно имя, говоря, что этот человек может стать возможным источником получения образцов мозга – от очень маленьких до очень больших. Этот человек – Пол Мэнджер, австралийский ученый, работающий в Южной Африке. Мэнджер занимается сравнительной нейрохимией стволовых структур мозга, а, кроме того, как я узнала позже, часто садится за руль своего джипа и едет в саванну, где лично занимается отловом животных.

Время познакомиться с Полом пришло в 2009 году, когда я натолкнулась на статью, в которой он описывал, как осуществлять перфузию мозга слонов в полевых условиях, чтобы сохранять его в состоянии, пригодном для последующих микроскопических нейроанатомических исследований. Только что было опубликовано наше исследование по подсчету среднего числа нейронов в мозге человека[62], и мы теперь были готовы перейти к следующему вопросу: действительно ли намного больший мозг африканского слона содержал больше или меньше нейронов по сравнению с мозгом человека? Из новой статьи Пола я узнала, что он легально добыл мозг трех взрослых африканских слонов-самцов, которые были застрелены в рамках регулирования численности популяции слонов по программе, осуществляемой в Зимбабве трестом Малилангве. Под наблюдением ветеринаров треста эти три слона были усыплены анестетиком, который не действует на людей, а затем застрелены в сердце. Головы всех слонов были отделены от туловищ, после чего была выполнена перфузия головного мозга через сонные артерии. Сначала, для того чтобы очистить мозг от крови, его промывают 100 л солевого раствора из емкостей, расположенных на возвышенной платформе, а потом сосуды мозга тем же путем перфузируют 100 л параформальдегида, чтобы сохранить мозг для перевозки в лабораторию для последующего изучения. Туши слонов были разделаны другими людьми, а мясо распределено между жителями окрестных деревень. Всего они получили десять тысяч порций отличного мяса. Эти три слона плюс еще несколько животных, застреленных в том году в Зимбабве, не только позволили накормить местных жителей, но и помогли науке благодаря работам Пола и его сотрудников по всему миру.

Итак, я отправила Полу электронное письмо с пожеланием вступить в этот клуб. Я понимала, что это был выстрел на удачу, потому что содержание письма можно перефразировать так: «Привет, незнакомец, я занимаюсь тем, что превращаю мозги в похлебку для того, чтобы понять, из чего они состоят. Не будете ли вы так любезны поделиться со мной половиной одного из великолепных слоновьих мозгов, которые вы только что добыли, чтобы я могла их уничтожить?» К счастью, Пол не отмахнулся от меня с порога (как выяснилось, он обожает необычные идеи, что сильно мне помогло) и вместо этого сразу же мне ответил, предложив несколько фрагментов ткани, которыми я смогу заняться. Этого хватит?

Спасибо, но нет. Этого не хватит, ответила я, и пустилась в объяснения: несколько кусочков не дадут нам возможность выйти за пределы того, что уже было сделано Дональдом Тауэром в пятидесятые годы, когда он определял плотность нейронов в нескольких пробах огромной мозговой коры азиатского слона[63]. Умножение полученных значений плотности нейронов на объем изучаемой области, то есть простейшая арифметическая операция, в принципе могло бы дать удовлетворительный ответ на вопрос о числе нейронов в коре, если бы она была гомогенной. Но на основании того, что мы сегодня знаем о коре человеческого мозга, мы не можем полагать, что это так. Такие расчеты неприемлемы. Такой расчет неприемлем также ввиду того, что адекватные стереологические методы дают непредвзятые оценки, а, учитывая, что оценки общего числа нейронов, полученные таким способом от множества разных видов, окажутся под сильным влиянием невероятно большого разброса объемов мозга среди разнообразных видов, никакой математической ценности в таких расчетах не будет, и они не позволят нам понять, как можно сравнивать мозги разных видов. Выхода из этой ситуации нет. Если мы хотим делать все правильно и найти ответ на очень важный вопрос о том, содержит ли человеческий мозг больше нейронов, чем мозг слона, превосходящий его по массе в три раза (что я считала простейшим объяснением когнитивного превосходства человека), то нам надо посчитать нейроны в целом мозге слона. Или, в крайнем случае, нам нужна целая половина этого мозга – одно полушарие – в предположении, что разница в числе нейронов между полушариями будет пренебрежимо мала в сравнении с межвидовыми вариациями.

Пола, видимо, впечатлила моя способность торговаться, и он немедленно согласился подарить мне полушарие слоновьего мозга! Мы начали работать над организацией практического воплощения идеи. Ткань была слишком бесценной, чтобы посылать ее по почте, рискуя тем, что она исчезнет в неизвестном направлении или прилипнет к рукам бразильских таможенников. Поэтому Пол приложил к письму разрешение южноафриканского правительства на вывоз полушария слоновьего мозга, а я должна была приехать к нему в лабораторию в Витватерсрандском университете в Йоханнесбурге и забрать ценный груз с собой, как багаж. Но в связи с этим возникла другая проблема: смогу ли я на самом деле это сделать?

Я нашла телефонный номер национального агентства санитарного надзора, которое осуществляет в Бразилии пограничный контроль и отвечает за ввоз в страну предметов, имеющих отношение к здравоохранению, и пищевых продуктов. Я позвонила в офис агентства в Международном аэропорту Рио-де-Жанейро, где я планировала приземлиться, и задала свой вопрос – наверное, самый нелепый из всех, какие они когда-либо слышали: «Здравствуйте, я ученый, собирающийся навестить коллегу в Южной Африке, и я хочу спросить, смогу ли я ввести в Бразилию полушарие слоновьего головного мозга в одном из моих чемоданов?» Однако женщину на другой стороне провода вопрос, кажется, нисколько не удивил. «Так, слоновий мозг. Живой?» – (Что?) «Нет, мадам, он в отличном состоянии и мертвый». – «В таком случае он нас не интересует». Казалось, все было хорошо, потому что у меня был список видов, образцы тканей которых я везла в Бразилию, декларация о том, что они не живые и не представляют опасности, а также ввозятся без всякой коммерческой цели. Единственное, против чего возражали бы таможенники и пограничники, – это против ввоза живых животных. Мозги, которые я собиралась везти, не соответствовали этому критерию.

Я посетила лабораторию Пола в ноябре 2009 года для того, чтобы забрать полушарие слоновьего мозга, но кончилось тем, что мне достался и большой набор целых мозгов: летучих мышей, африканских грызунов, уникальных представителей африканской фауны, жирафов и антилоп, – но как раз половина мозга слона мне не досталась, во всяком случае пока. Мы уперлись в бюрократическую стену и не смогли получить разрешение на вывоз слоновьего мозга из Южной Африки. Со всеми остальными мозгами неприятностей у меня не было.

Заняться полушарием мозга слона мне удалось только в 2012 году, через три года после описанных событий и после исследования мозга множества других биологических видов, для чего Пол и я организовали нашу собственную вылазку в саванну для сбора мозгов ряда крупных парнокопытных животных. К парнокопытным относят таких животных, как свинья, олень и антилопа. Крупнейшими из них являются жираф (один мозг которого Пол презентовал мне во время первого визита) и гиппопотам (один мозг этого животного лежит в холодной комнате Пола и ждет, когда я за ним приеду). Парнокопытные особенно интересны по целому ряду причин, одна из которых заключается в том, что они принадлежат к одной кладе с китообразными, обладающими огромным мозгом (поэтому клеточный состав мозга представителей отряда парнокопытных может многое сказать о мозге китообразных до того, как мне удастся получить в распоряжение мозг кита): киты и дельфины имеют одних предков с современным гиппопотамом. Другая причина заключается в том, что масса мозга парнокопытных сопоставима с массой мозга средних и крупных приматов, поэтому они (мозги парнокопытных) подходят для выяснения вопроса о том, содержится ли в мозге приматов больше нейронов, чем в мозге парнокопытных, обладающем такой же массой. Например, мы сможем сравнить шимпанзе и корову по количеству нейронов, а не по массе мозга. Если моя гипотеза о том, что количество нейронов является главным ограничителем когнитивных способностей, окажется верной, то у парнокопытных мы обнаружим гораздо меньше нейронов, чем у приматов такой же массы.

Наш шанс добыть эти мозги без необходимости самим выходить на охоту реализовался благодаря хорошей организации этого дела в Южной Африке, наличию убежищ для пойманных диких животных (в случае незаконного промысла на охраняемые виды со стороны браконьеров или отловленных на законном основании по южноафриканским законам, а также для выдерживания в карантине до возвращения в дикую природу, до продажи зоопаркам, арабским принцам или ученым, желающим получить мозг этих животных). Целью одного из моих визитов было планирование исследования непрерывно растущего мозга нильского крокодила, для чего мы посетили крокодиловую ферму (абсолютно легальную). После этого Пол повел меня в другое учреждение, где раньше он получил мозг жирафа, к перфузии которого приступил прямо на месте. Все это место было обнесено высоким забором и окружено колючей проволокой под током: я чувствовала себя так, будто попала в парк юрского периода, настолько дикими были его обитатели. Там было несколько охраняемых белых носорогов, отбитых у браконьеров и поправлявшихся после полученных ран. После выздоровления все они будут возвращены в дикую природу. Зашли мы и в вольер к гепарду, легкомысленно последовав уговорам сопровождавшей нас женщины-ветеринара, которая воспитывала гепарда почти с самого его рождения и клялась, что эта самочка безвредна, как домашняя кошка. К моменту, когда моя префронтальная кора спохватилась, мы были уже в вольере и приблизились к зверю. Гепард смотрел мне прямо в глаза, и по спине у меня пробежал предательский холодок. Но бежать было уже поздно, и я подошла еще ближе и погладила животное, которое действительно замурлыкало, как котенок. Да, это истинная правда: мне привелось погладить гепарда. Каких только глупостей не делаем мы в нашей жизни!

Мне дали список (почти сюрреалистический) животных вместе с их ценами, и я обсудила с милыми людьми из приюта для животных, что и как мы должны делать дальше. Вернувшись домой, я тщательно проанализировала список, оценивая массы мозга и тела соответствующих животных, и сделала разумный выбор в отношении разнообразия их размеров, цен и количества часов, которые потребуются для извлечения мозга в каждом случае, а также связалась с фондом Джеймса МакДоннелла и нашим университетом, чтобы уточнить, получим ли мы деньги на приобретение этих животных из приюта. Добро было дано. Пол Мэнджер вызвался лично научить меня искусству забора мозгов в полевых условиях.

В июне 2012 года мы собрали команду крепких работящих студентов из отдела Пола, нагрузились несколькими ящиками инструментов, десятками литров солевого раствора и параформальдегида и двинулись в путь. Договорились на том, что эвтаназию животных проведут сотрудники приюта и ветеринары, а потом разрешат нам выполнить вскрытие прямо на месте; оставшееся мясо будет скормлено львам и другим крупным кошачьим, а мех получат рабочие приюта для их собственных нужд. Мы также должны будем все за собой убрать. Все должны были остаться довольны.

«Только не животные, – протестовала моя мама. – Какой это ужас – убивать невинных животных!» Учитывая, однако, что жизнь рано или поздно заканчивается у всех и что альтернативой для этих животных была ужасная смерть от когтей и зубов львов или леопардов, я думаю, что безболезненная смерть от передозировки анестетика была не таким уж и плохим вариантом гибели. К тому же я сама счастливый хищник (так же, как и моя дорогая мама между прочим, хотя она, как многие другие люди, отказывается есть мясо «симпатичных» животных). Я тоже животное, а животные по определению должны питаться другими формами жизни. Львы тоже должны что-то есть. Просто получилось так, что мы убили для них их обед.

Пол и несколько его студентов занялись извлечением головного мозга убитых животных; я же, вместе с остальными, принялась за извлечение спинного мозга, что, должна сказать, было намного труднее. Мы начали с удаления продольных мышц спины, мяса для миньонов, с каждого животного с помощью громадных и острых, как бритва, ножей. Я испытала странное удовлетворение, быстро научившись орудовать цепной пилой[64], так что к тому времени, когда мы приступили к разделке последнего из двенадцати животных, работа шла слаженно и быстро. Мы даже ухитрились обогнать команду Пола (к большому удовольствию некоего новичка).

Вернувшись в лабораторию, я приготовила два чемодана, набитых запечатанными контейнерами, заключенными в двойной слой белого пластика. В каждом контейнере находились один или больше экземпляров мозга. Я отправила домой селфи с этой прелестью. Ответ мужа пришел незамедлительно: «Похоже, ты везешь домой партию кокаина. Я уже готовлю деньги для залога на случай, если тебя арестуют в аэропорту».

Но та женщина из таможенной службы аэропорта сказала правду. Меня остановили на таможне после просвечивания чемоданов, но только из-за того, что таможенники решили, будто я везу строго запрещенный к провозу свежий сыр, как одна португальская пара, которую проверяли непосредственно передо мной. «Нет, – сказала я, – это всего-навсего мозги для исследований в сотрудничестве с одним южноафриканским университетом». Это было настолько неожиданное объяснение, что таможенники не сразу решили, кто должен инспектировать мой багаж и документы. Так что мне пришлось набраться терпения и ждать. Пришла женщина-офицер и зачитала мне декларацию о недопустимости провоза опасных биологических материалов и материалов, имеющих коммерческую ценность; потом она долго просматривала кипу разрешающих документов, составленных на полудюжине языков, ознакомилась с длинным списком биологических видов, оставила себе одну копию списка, о чем я знала заранее, а потом… она меня пропустила вместе с моими мозгами. Залог не понадобился.

После публикации статей и начала перспективного сотрудничества, в котором были заинтересованы мои партнеры, нам стало легче доставать нужные для наших анализов экземпляры мозга. Теперь у нас есть мозги сумчатых, хищников, птиц, рыб, осьминогов и, наконец, китообразных. Я бы с удовольствием поработала с мозгами насекомых, если бы знала, как их препарировать (да, да, у насекомых тоже есть мозг): дело не только в том, что насекомые – самая разнообразная группа животных с наибольшим числом видов, но и в том, что добыть их можно буквально в каждом дворе в неограниченном количестве. Поскольку же люди, не рассуждая долго, давят тараканов каблуками, а комаров прихлопывают ладонями, постольку я могу надеяться, что опыты с этими существами не вызовут протестов публики и сопротивления защитников животных. Главный мой интерес заключается в разнообразии строения мозга и в том, чему он может научить нас относительно эволюции жизни. Значит, если у насекомых есть мозг, то меня интересует и он. На двери моей маленькой лаборатории приклеен стикер: «Принесли мозги?»

4. Не все мозги устроены одинаково

По сути, мне хотелось подтвердить разнообразие в строении мозга у разных биологических видов; это был фундаментальный вопрос нейробиологии, но в то время мы плохо знали эту тему. Конечно, мы знали, из клеток каких типов состоит мозг: из нейронов, глиальных клеток и эндотелиальных клеток, образующих стенки мозговых кровеносных капилляров, которые доставляют мозгу кислород и питательные вещества, – но сколько этих клеток и в каких пропорциях они соотносятся друг с другом? Каковы правила, определяющие строение мозга, если такие правила вообще существуют? Сопровождается ли увеличение массы мозга у взрослых животных (масса и объем головного мозга – в данном случае взаимозаменяемые понятия[65]) просто добавлением пропорционального количества клеток всех перечисленных типов, или разные мозги по-разному и устроены, и пропорции соотношения клеток разных типов у них тоже разные? Имеет ли место какое-то единственное соотношение между размером мозга и числом в нем нейронов и других клеток, приложимо ли это соотношение универсально ко всем биологическим видам? То есть одинаково ли устроен мозг у животных разных видов?

Если бы это было так – а так думали в то время, когда я приступила к подсчету клеток, – то в мозгах одинаковой массы должно содержаться одинаковое число нейронов даже у животных, принадлежащих к разным родам и семействам; и чем больше мозг, тем больше нейронов он должен содержать у видов, не состоящих в родстве между собой. Был простой способ испытать эту гипотезу: должно найтись универсальное соотношение, связывающее массу головного мозга и число нейронов в нем среди всех видов млекопитающих животных, то есть любые два мозга одинаковой массы должны содержать одинаковое число нейронов.

В 2007 году мы имели достаточно данных по шести видам грызунов и по шести видам приматов (рис. 4.1) для того, чтобы проверить нашу гипотезу[66]. Нам впервые удалось выяснить, что, например, в мозге крысы содержится приблизительно 189 миллионов нейронов, в мозге агути – 795 миллионов, а в более крупном мозге капибары – 1,6 миллиарда нейронов[67]. У приматов, работая совместно с Джоном Каасом, мы обнаружили следующую картину: у мармозетки – 636 миллионов, у капуцина – 3,7 миллиарда, а у макака-резуса – 6,4 миллиарда нейронов[68]. Эти простые примеры показывают, что в мозге приматов средних размеров содержится намного больше нейронов, чем у самых крупных грызунов, то есть размер и внешний вид могут быть обманчивы. Здесь нам на помощь пришли математика и статистика: нам теперь не надо было полагаться на внешний вид.

Рис. 4.1. Крыса, мармозетка, ночная обезьяна, макак-резус и капибара расположены в порядке возрастания массы головного мозга. У обезьян обоих видов нейронов в мозге содержится больше, чем в мозге капибары, несмотря на то что масса головного мозга у них меньше. Числа нейронов обозначены: млн – миллион, млрд – миллиард

Простая линейная зависимость массы головного мозга от числа нейронов в мозге каждого из этих наших первых грызунов и приматов (рис. 4.2) демонстрирует общее правило: чем больше в мозге нейронов, тем больше его масса – более крупный мозг, как правило, имеет и большее число нейронов. Но главный вопрос остается: всякий ли мозг становится больше при одинаковом приращении числа нейронов?

Рис. 4.2. Линейный график показывает, что, возможно, существует единая зависимость между массой мозга и числом нейронов в мозге как у грызунов (окружности), так и у приматов (треугольники), что делает капибару аутсайдером

По графику линейной зависимости, приведенному на рис. 4.2, трудно выявить разницу между мелкими грызунами и приматами, точки которых располагаются в левом нижнем углу графика. Возникает впечатление, что единое отношение можно приложить ко всем этим видам за исключением капибары, точка которой отклоняется влево от точек приматов, как будто ее мозг имеет особенности строения, делающие ее аутсайдером, – похоже, что он слишком велик для числа содержащихся в нем нейронов. Всякое впечатление о двусмысленности исчезает, однако, если сделать график логарифмическим (рис. 4.3), то есть при использовании логарифмической шкалы на абсциссе и ординате. Как было сказано в главе 1, это стандартный прием, используемый в количественных биологических исследованиях и позволяющий отделять друг от друга самые мелкие значения, так как логарифмический график позволяет преобразовать степенную функцию в линейную, то есть кривая превращается в быстро восходящую прямую линию. Результат эквивалентен откладыванию логарифмических величин в линейном масштабе с тем преимуществом, что на графике становятся непосредственно видны нетрансформированные величины[69].

Рис. 4.3. Двойной логарифмический график показывает, что существуют разные отношения между массой мозга и числом нейронов в нем для грызунов (окружности) и приматов (треугольники). Линии ориентированы согласно степенной зависимости, которая наилучшим образом описывает изменения массы мозга как функции числа нейронов в мозге грызунов и приматов по отдельности, с показателем степени +1,6 у грызунов и +1,0 у приматов. Теперь капибара уже не выглядит аутсайдером: масса ее мозга соответствует предсказанной для числа в нем нейронов