Помоги проекту - поделись книгой:
Симптомы болезни Паркинсона
Ряд заболеваний связан с повреждением нервных волокон
Глава XI. Энергетический баланс и развитие мозга
Активная жизнь должна регулироваться еще более активным мозгом. Обмен веществ в нервной ткани происходит с невероятной интенсивностью. Из каких источников берет энергию мозг и какие продукты могут обеспечить эффективность его работы от младенчества до старости?
Показания электросчетчика
Мозг – это орган, который находится в процессе развития в течение всего периода существования организма. Из каких источников он берет энергию? Энергетические затраты на его содержание включают снабжение кислородом, доставку ему необходимых питательных веществ, а также поддержание водно-солевого равновесия в организме. Из всех органов нашего тела самый активный потребитель энергии – это головной мозг. Он настолько интенсивно использует кислород, что, составляя всего 2 % общей массы тела взрослого человека, поглощает примерно 20 % поступающего в организм кислорода. Для сравнения, мозг взрослых позвоночных животных использует лишь 2–8 % общей энергии в состоянии покоя.
Поразительно высокий уровень обмена веществ в мозге сохраняется даже при отсутствии большой физической и умственной нагрузки – во время сна. Потребление энергии происходит непрерывно: интенсивность обмена веществ одинакова днем и ночью, а иногда во время фазы сна со сновидениями даже возрастает. Но нужно сказать, что весь эквивалент обмена веществ в мозге составляет всего около 15–25 ватт электроэнергии. Этого могло бы хватить разве что для питания светодиодной лампы низкой мощности. А на что расходуется такая энергия?
Где рождается «гормон счастья»?
Для энергии нам нужна активность ретикулярной формации – это скопление нейронов, которое обеспечивает нас энергией. Кроме того, эта область отвечает за секрецию ряда гормонов, например серотонина – «гормона счастья», который обеспечивает стрессоустойчивость
Основные пользователи
Основная часть этой энергии расходуется на синапсы. Они для создания сигналов постоянно перекачивают ионы в промежуток между клетками, обмениваясь калием и натрием. Это действие накачки имеет колоссальное значение для работы нейронов, но оно очень энергозатратно. Белое вещество, состоящее из отростков нейронов – аксонов, содержит большое количество миелина, жирового вещества, которое обволакивает аксоны, чтобы изолировать их и предотвратить утечку электричества. Из-за этой изоляции белое вещество потребляет примерно на 20–25 % больше энергии, чем серое вещество, которое состоит из дендритов и участков синапсов.
Некоторые мозговые функции требуют больше энергии, чем другие. Области, ответственные за обработку слуховых сигналов, используют больше энергии, чем обонятельная система или область мозга, ответственная за память. Слух требует очень быстрой и точной сигнализации – было бы невыгодно, если бы звук опасности каким-либо образом в мозге задерживался. Относительно медленные процессы, например обоняние, не имеют таких же интенсивных энергетических потребностей. Что же питает мозг?
Сеть пассивного режима работы мозга (также нейронная сеть оперативного покоя, от англ. default mode network, DMN) – нервная сеть взаимодействующих участков головного мозга, активная в состоянии, когда человек не занят выполнением какой-либо задачи, связанной с внешним миром, а, напротив, бездействует, отдыхает, грезит наяву или погружен в себя
Газ без запаха, вкуса и цвета
Собственных кислородных ресурсов у нервной ткани практически нет. Процессы, за которые она отвечает, такие как способность к фиксации и хранению информации, выработка и проведение нервных импульсов, образование и обновление нейронов и синапсов, протекают со значительными энергетическими затратами. Потребность в кислороде неодинакова в различных отделах нервной системы человека. Потребление кислорода серым веществом на 30–50 % выше, чем белым. По скорости потребления отделы мозга можно расположить в следующей убывающей последовательности: кора больших полушарий; мозжечок и промежуточный мозг; средний и продолговатый мозг; спинной мозг.
Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно – передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии. При развитии организма нейроны стремятся работать только с наиболее полезной информацией, фильтруя «лишние» импульсы, ненужную и избыточную информацию. Если потребление кислорода мозгом падает до уровня меньше 12,6 литра в час, наступает смерть. При уменьшении количества кислорода мозг может сохранять активность только 10–15 секунд. Через 30–120 секунд угасает рефлекторная активность, а спустя пять-шесть минут начинается гибель нейронов. А что кроме кислорода необходимо мозгу?
Работа или отдых?
В одном из исследований людям предлагали кликнуть на несколько картинок на экране компьютера. На одних картинках был изображен отдыхающий человек, а на других – работающий. Оказалось, наш мозг сопротивляется даже отметить картинки, на которых изображен трудящийся человек
Основное топливо для мозга
Наряду с высокой скоростью дыхания для мозга характерно интенсивное потребление глюкозы. Собственные запасы этого углевода в мозговой ткани чрезвычайно малы по сравнению с высокой активностью его потребления. Мозг практически не способен к синтезу глюкозы из белков и жиров. Мы уже знаем, что если приток насыщенной кислородом крови к мозгу прекратится, то через 10–15 секунд наступит потеря сознания, а затем появятся стойкие нарушения. Любое состояние, сопровождающееся понижением содержания глюкозы в крови, приводит к такому же эффекту. В отличие от печени, почек и мышц, способных при уменьшении уровня глюкозы использовать для поддержания энергетического баланса и сохранения активности разные виды «топлива» (углеводы, жиры и аминокислоты), головной мозг в этих же условиях продолжает потреблять только высокие количества глюкозы крови. Снижение глюкозы крови ниже критических величин приводит к значительному падению потребления мозговой тканью как глюкозы, так и кислорода и развитию состояния комы с потерей сознания.
В клетках гипоталамуса находятся центры голода и пищевого насыщения. Они получают сигналы от клеток-рецепторов, оценивающих концентрацию глюкозы и инсулина в крови. Идеальная концентрация глюкозы в плазме крови составляет около 0,1 %. Если она меньше, то активируется центр голода, если больше (и высокое содержание инсулина) – центр насыщения. Для того чтобы попасть в мозг, глюкоза в крови должна проникнуть через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Что же он из себя представляет?
Самые уязвимые
Определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае заболевания. Например, при инсульте в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры. Эти же нейроны из-за интенсивного обмена веществ наиболее уязвимы и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении
Энергосбережение
Крупные теплокровные животные тоже различными способами защищают себя от повышенных энергозатрат. Всем известна длительная зимняя псевдоспячка медведей, которая позволяет не расходовать энергию во время периода, неблагоприятного для добычи пищи
Таможня дает добро, или Гематоэнцефалический барьер
Мозг – единственный орган нашего тела, у которого есть своя собственная система безопасности. Барьер, о котором пойдет речь, является одним из самых совершенных в организме. Он имеет несколько уровней защиты, в десять раз лучше снабжается энергией и позволяет центральной нервной системе полностью сосредоточиться на управлении жизненно важными функциями. Если этот барьер ослабевает, то увеличивается вероятность возникновения нейродегенеративных заболеваний. Он представляет собой своеобразную полупроницаемую стену из сплетений мельчайших кровеносных сосудов, которая располагается на границе между кровью и мозгом и препятствует поступлению в него токсинов, вирусов и бактерий.
Необходимость в ГЭБ связана с тем, что клетки головного мозга очень чувствительны к воздействию различных химических веществ. От работы этой сложной системы зависит, какие вещества и с какой скоростью смогут проникнуть из крови в мозг. ГЭБ не только задерживает целый ряд веществ из крови, но и выполняет противоположную функцию – транспортирует необходимые компоненты для обеспечения работы мозга. Транспортеры глюкозы позволяют ей проникать в мозг, чтобы дать топливо нейронам.
Но оказывается, что гематоэнцефалический барьер легко преодолевают жирорастворимые вещества, такие как никотин, кофеин, героин, некоторые обезболивающие препараты и алкоголь.
Растет не по годам, а по часам
Конечно, потребности мозга взрослого человека в кислороде и питательных веществах впечатляют, но энергия, необходимая для поддержки быстрых темпов развития мозга в раннем детском возрасте еще выше. Знаете ли вы, что 70 % мозга малыша заканчивает развитие, пока он находится в утробе матери? Всплеск роста мозга начинается примерно на пятом месяце беременности и продолжается после рождения. На внутриутробный период приходится 70 % развития мозга ребенка, 15 % – на период младенчества и еще 15 % – на дошкольные годы. Мозг новорожденного составляет около 13 % от массы тела, но потребляет около 60 % суточной нормы организма. При появлении дитя на свет вес его мозга составляет 27 % от веса мозга взрослого человека. К двум годам он увеличивается до 80 %.
С трех лет начинается резкое торможение в темпах мозгового развития, а после шести лет оно практически полностью замедляется и формирование завершается. Способности мозга шестилетнего ребенка практически совпадают с возможностями взрослого человека! С рождения нейроны мозга существуют по большей части независимо друг от друга. Задача мозга в течение первых трех лет – установить и укрепить связи между ними. В это время клетки детского мозга создают по два миллиона новых связей (синапсов) в секунду! Огромная потребность в энергии, интенсивное развитие мозга, происходящее в первые годы жизни, требуют регулярного и сбалансированного поступления питательных веществ.
Что сделало нас людьми?
Приобретенную нашими предками способность развивать и обеспечивать энергией большой мозг связывают с продолжительным периодом детства у людей и с увеличением доли мяса в их рационе
Опасные дефициты
На формирование головного мозга и его познавательную деятельность прямое влияние оказывает рацион питания. Несбалансированный пищевой рацион может привести как к отдаленным, так и к немедленным последствиям в развитии головного мозга. Теория о влиянии питания на развитие мозга у детей грудного возраста получает все большее признание.
Некоторые питательные вещества оказывают большее влияние на развитие мозга, чем другие. К ним относятся белок, некоторые жирные кислоты, железо, цинк, медь, йод, селен, витамин А, холин и фолиевая кислота. Особое значение в становлении и правильной работе нервной системы малыша имеют длинноцепочечные полиненасыщенные жирные кислоты – докозагексаеновая (ДГК) и арахидоновая (АРА). Концентрация этих жирных кислот в нервной ткани растет в соответствии с увеличением объема головного мозга. Недостаток ДГК и АРА в диете у детей приводит к снижению зрительной активности, ухудшению обучаемости и задержке психомоторного развития. У взрослых такой дефицит чреват повышенным риском развития депрессии, шизофрении, агрессии, слабоумия и прочих нервных расстройств, включая болезнь Альцгеймера. В молоке японских мамочек очень высокое количество ДГК за счет высокого потребления морепродуктов, в то время как в молоке американских матерей концентрация ДГК очень низка. Источниками ДГК в рационе могут служить морепродукты, различные растительные масла и орехи.
(Наталья Петровна Бехтерева)
Глава XII. Изучение возможностей мозга: достижения и перспективы
Современные направления изучения мозга весьма разнообразны. Прогресс не стоит на месте. Не за горами то время, когда нейробиологи научатся читать мысли и даже моделировать мышление. Но долго ли нам ждать прорыва в борьбе с болезнями мозга и стрессом?
Наука должна быть веселая, увлекательная и простая. И ученые тоже!
Нейробиология (нейронаука) – наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии
У некоторых людей в отношении научных исследований сложился стойкий стереотип: кабинет, рабочий стол, белый халат и жизнь без отрыва от микроскопа. Однако вопросы изучения мозга гораздо более разнообразны и перспективны, чем можно подумать. Исследования в области нейронаук охватывают многие направления – от молекулярной биологии и генетики до психологии поведения и оценки социально-экономического статуса.
Методы молекулярных и генетических исследований развиваются быстрыми темпами, и с их помощью еще будет совершено множество захватывающих открытий. Точно определяя критические гены и молекулы, можно прийти к объяснению того, как работает центральная нервная система, и к разработке новых методов лечения неврологических заболеваний. Поведенческие исследования – это увлекательная смесь психологии и нейробиологии. Изучение поведения животных и человека поможет понять особенности формирования сложных нервных функций, таких как обучение, память, боль, и других форм поведения. В результате мы наверняка будем гораздо больше знать о том, какие химические реакции обеспечивают восприятие, внимание, память, мышление.
Поведенческая нейронаука тесно связана с такой областью экономической науки, как нейроэкономика. Нейробиология уже внесла скромный вклад в политику, связанную с социально-экономическим статусом, и можно ожидать, что в ближайшие годы потенциал ее эффективного и благотворного влияния будет расти.
Открыта секция моделирования
Задача исследования соотношения мозга и психики – одна из самых захватывающих в науке. Сегодня во всем мире над изучением человеческого мозга трудятся ученые в сотнях лучших лабораторий. Несмотря на развитие современных технологий, мы до сих пор не можем точно назвать, какие механизмы лежат в основе внимания или памяти, а в особенности в основе логического мышления и нашего сознания. Исследовать головной мозг очень тяжело, ведь этот орган невероятно сложно устроен – только кора больших полушарий делится на сто восемьдесят участков. Одним из главных подходов в изучении является моделирование.
Мы помним, что каждая нервная клетка имеет от пяти до десяти тысяч контактов с другими, по которым поступают в клетку входящие сигналы. Исходящие импульсы выводятся из клетки по аксону – единичному отростку клеточной мембраны. Исключением являются дофаминовые нейроны, расположенные в среднем мозге, – они проецируются в переднюю область мозга, кору больших полушарий и имеют до пяти миллионов связей.
Все это приводит к тому, что на сегодняшний день моделирование работы мозга является очень сложной задачей. Самая масштабная на текущий момент модель была создана командой японских ученых и представляла собой расчет одной секунды активности 1 % нейронов головного мозга. Оценка такой активности потребовала сорок минут работы четвертого по мощности суперкомпьютера в мире (K Computer)!
Интерес к этому направлению набирает популярность и близко пересекается с такими нейронауками, как нейрофизиология, психиатрия и системная биология.
Технологии завтрашнего дня
Ученые придумали и уже испытали мозговой имплантат, который в будущем может помочь каждому человеку хранить в голове целые энциклопедии знаний. В эксперименте участвовали пациенты с эпилепсией и болезнью Альцгеймера. В результате исследования выяснилось, что новое изобретение помогает улучшить запоминание до 37 %, даже у людей с хроническими нарушениями памяти
Чей выбор перспективнее?
Методы исследования мозга можно разделить на те, которые позволяют только наблюдать за тем, что происходит в мозге, и на те, которые позволяют воздействовать на мозг. К наблюдательным методам относят, например, магнитно-резонансную томографию (МРТ), благодаря которой с точностью до миллиметра можно получить пространственную картину мозга, а также электроэнцефалографию (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографию (МЭГ), позволяющие оценивать изменения электрической активности мозга.
Наиболее существенными проблемами в области современной нейронауки являются: механизм превращения нейронной активности в мысль; создание единой теории протекания мыслительного процесса; разработка алгоритмов извлечения информации из большого объема данных; изучение механизмов обучения и формирования памяти.
Уже знакомые нам японские ученые намерены создать модель высшей нервной деятельности приматов для понимания механизмов обработки информации и расстройств нервной деятельности человека для дальнейшего применения этих знаний в медицине. Программа ученых США под названием BRAIN Initiative была запущена в 2013 году и рассчитана до 2025 года. В планах содателей программы – разработка нейротехнологий для диагностики и лечения расстройств мозга к концу обозначенного периода. Ожидается, что на основе новых технологий будут достигнуты значительные результаты в области развития нейронаук. В Китае ученые определили фундаментальной задачей выяснение роли нейронных оснований в высших функциях мозга, добавив к ней две практические – создание эффективных методов ранней диагностики и лечения расстройств работы мозга и разработку мозг-машинных интеллектуальных технологий. Какие еще направления считаются перспективными?
Технологические тренды эпохи
К перспективным направлениям исследований относят изучение механизмов памяти и восприятия событий, понимание природы сознания, нейрофармакологию, создание искусственных нейронных сетей. Быстрое развитие технологий искусственных нейросетей может привести к появлению принципиально новых возможностей в моделировании мозговых механизмов мышления и психики. Нейронная сеть воспроизводит психические процессы: например, речь, распознавание образов, творческий выбор, мышление. Те области, которые еще вчера мыслились нами как возможности исключительно человеческого разума, становятся доступными искусственному интеллекту.
Еще один из современных технологических трендов – создание нейроморфных искусственных сенсорных систем, а также технологий, направленных на воздействие на сенсорные системы человека (нейрокомпьютерные интерфейсы, виртуальная и дополненная реальность). Всего за несколько последних лет были разработаны и внедрены нейротехнологии, позволяющие: увеличить память людям с помощью уже созданного первого протеза памяти; получать и отправлять сообщения с помощью планшета с операционной системой Android парализованными пациентами посредством их мозговых волн; определить свое местоположение роботизированным конечностям, которые управляются мозгом, или даже добавить «третью руку» здоровым людям. Внедрение «управляемого разумом» роботизированного протезирования позволит пациентам с ампутациями, травмами или родившимся без конечности использовать полный спектр движений. Эксперименты по созданию прямых каналов связи мозга и машин, безусловно, интересны, и в них, вероятно, получится выйти на совершенно новые возможности, о которых мы сейчас не догадываемся.
Нервная клетка контактирует с 5–10 тысячами других нервных клеток
Там, где нейроны проросли
Анализ схем не единственная область нейробиологии, заслуживающая внимания. Значительное число перспективных исследований связано с современной медициной. Исследование связи клеточных сетей при некоторых опухолях головного мозга позволило ученым сделать открытие, в которое трудно поверить: в раковых опухолях обнаруживаются синапсы – структуры, которые нейроны используют для общения друг с другом. Поначалу специалисты предположили, что синапсы в опухоли на самом деле оказались случайным явлением. Но другая группа нейроонкологов подтвердила наличие синапсов между нейронами и опухолевыми клетками у детей. Не менее интересно исследование, связанное с онкологическими процессами в предстательной железе. Известно, что нервные волокна, появляющиеся при раке простаты, усугубляют течение заболевания. Однако ученым долго не удавалось установить их источник. Современные работы показали, что это могут быть предшественники нейронов мозга, которые проникают в опухоль предстательной железы и дают начало популяции нервных клеток.
Недавно уставлено, что некоторые опухолевые клетки молочной железы ведут себя подобно нейронам. Клетки особого типа рака молочной железы метастазируют в мозг и, находясь там, очень трудно поддаются лечению.
Силой мысли
Создана технология, которая позволяет людям писать текстовые сообщения силой мысли. Несколько чипов, вживленных в голову человека, считывают активность его мозга и преобразуют ее в рукописный текст на экране. Считается, что такая технология вернет парализованным людям возможность общаться со своими родственниками и окружающим миром в целом
Лекарства принесут неоценимую пользу, но только тем, кто их продает
Экспериментальное подтверждение нашла теория о том, что болезнь Паркинсона может зарождаться в кишечнике и затем по блуждающему нерву постепенно проникать в мозг. Более того, ранее непонятная природа болезни оказывается близкой к уже знакомым нам прионным заболеваниям.
Но до оптимистичных прогнозов в отношении успешного лечения нейродегенеративных заболеваний пока далеко. Несмотря на перспективность нейрофармакологии, совсем недавно специалисты стали предсказывать отрицательную динамику развития этого направления. Пессимизм связан с неудачами фармацевтических и биотехнологических компаний в разработке лекарственных средств лечения НДГЗ. В последние два-три года несколько терапевтических препаратов для борьбы с болезнью Альцгеймера провалились на третьей, самой дорогой фазе клинических испытаний. Это в целом еще более усугубило оценку рискованности разработки новых лекарств. Кроме того, имеющиеся в настоящее время медикаменты во многом направлены на устранение явных признаков заболевания при отсутствии глубокого понимания механизмов возникновения и развития неврологических и психических расстройств.
Электроэнцефалограмма – способ не только получить данные, необходимые для лечения, но и исследовать головной мозг
Вложения в будущее
Китайцы выделяют огромные средства на науку. Последней из значительных инвестиций стало вложение 450 миллионов юаней (67 миллионов долларов) в создание научно-исследовательского центра по изучению мозга. Этот центр в первую очередь будет заниматься составлением полного атласа головного мозга с целью получения максимально широкого представления о работе нашего сознания
Дело времени и смелости ума
Современная нейрофизиологическая наука уделяет особое внимание изучению биохимических и психоэнергетических процессов в головном мозге. Есть множество институтов и лабораторий, разработки которых позволяют практической психологии заниматься проблемами активации резервов психики человека.
Однако из-за огромной сложности мозга многое еще предстоит открыть. Исследователи продолжают изучать химию здорового мозга, который функционирует быстро и автоматически – со скоростью мысли. Истинное понимание требует детального изучения составляющих нервных клеток, определения их связей друг с другом, мониторинга и регистрации их моделей активности. Ученые все еще находятся на том этапе, когда предстоит проделать большую работу по выявлению ключевых различий в огромном массиве неизвестных нейронов. Будем верить, что в краткосрочной перспективе, благодаря более глубокому пониманию химии нейронных сетей, появятся новые методы не только лечения, но и предупреждения разрушительных заболеваний головного мозга.
Система, предназначенная для создания связи между мозгом и компьютером, называется нейроинтерфейсом. Самая известная компания, которая занимается созданием такой технологии, – фирма Neuralink, созданная Илоном Маском. Недавно она смогла подключить к компьютеру мозг обезьяны
Мозг взрослых позвоночных животных в состоянии покоя использует только от двух до восьми процентов общей энергии…
…а мозг человека поглощает примерно двадцать процентов поступающего в организм кислорода
Исследования в области нейронаук охватывают многие направления – от молекулярной биологии и генетики…
…до психологии поведения и оценки социально-экономического статуса
Литература и другие источники
1. Акарачкова Е. С., Байдаулетова А. И. и др. Стресс: причины и последствия, лечение и профилактика. Клинические рекомендации. – СПб.: Скифия-принт; М.: Профмедпресс, 2020.
2. Бехтерева Н. П. Магия мозга и лабиринты жизни. – М.: Издательство АСТ; СПб.: Сова, 2007.
3. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение. – М.: Мир, 1988.
4. Черниговская Т. В. Чеширская улыбка кота Шрёдингера: язык и сознание. – М.: Языки славянской культуры, 2013.
5. http://www.humanillnesses.com/Behavioral-Health-A-Br/Brain-Chemistry-Neurochemistry.html
6. https://www.bioedonline.org/lessons-and-more/teacher-guides/brain-chemistry/
7. https://www.verywellmind.com/the-chemistry-of-depression-1065137
Поделиться книгой: