Статья: Пластичность мозга

Замечательное проявление пластичности мозга — реорганизация повреждённой коры даже по прошествии многих лет с момента возникновения повреждения. Американский исследователь Эдвард Тауб (ныне работающий в университете Алабамы) и его коллеги из Германии Вольфганг Митнер и Томас Элберт предложили простую схему реабилитации двигательной активности у пациентов, перенёсших инсульт. Давность перенесённого поражения мозга среди их пациентов варьировала от полугода до 17 лет. Суть двухнедельной терапии заключалась в разработке движений парализованной руки с помощью различных упражнений, причём здоровая рука была неподвижной (фиксировалась). Особенность этой терапии — интенсивность нагрузки: пациенты упражнялись по шесть часов ежедневно! Когда же мозг пациентов, у которых восстановилась двигательная активность руки, обследовали с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, то оказалось, что в выполнение движений этой рукой вовлекаются множество областей обоих полушарий. (В норме — при непоражённом мозге, — если человек двигает правой рукой, у него активируется преимущественно левое полушарие, а правое полушарие ответственно за движение левой руки.)

Восстановление активности парализованной руки через 17 лет после инсульта — бесспорно, волнующее достижение и яркий пример реорганизации коры. Однако реализовано это достижение высокой ценой — соучастием большого числа областей коры и притом обоих полушарий.

Принцип работы мозга таков, что в каждый момент та или иная область коры может участвовать только в одной функции. Вовлечение сразу многих областей коры в управление движениями руки ограничивает возможность параллельного (одновременного) выполнения мозгом разных задач. Представим себе ребёнка на двухколёсном велосипеде: он восседает на седле, крутит ногами педали, прослеживает свой маршрут, правой рукой фиксирует руль и её указательным пальцем нажимает на звонок, а левой рукой держит печенье, откусывая его. Выполнение такой простой программы быстрого переключения с одного действия на другое непосильно не только для поражённого, но и для реорганизованного мозга. Не умаляя важности предложенного метода реабилитации инсультных больных, хотелось бы заметить, что она не может быть совершенной. Идеальным вариантом представляется восстановление функции не за счёт реорганизации поражённого мозга, а за счёт его регенерации.

Отступление от правил

Обратимся теперь ко второму сценарию: мозг цел, но повреждены периферические органы, а конкретнее — слух или зрение. Именно в такой ситуации оказываются люди, рождённые слепыми или глухими. Давно замечено, что слепые быстрее дискриминируют слуховую информацию и воспринимают речь, чем зрячие. Когда слепых от рождения (и утративших зрение в раннем детстве) исследовали методом позитронно-эмисионной томографии мозга в то время, как они читали тексты, набранные брайлевским шрифтом, оказалось, что при чтении пальцами у них активируется не только соматосенсорная кора, ответственная за тактильную чувствительность, но и зрительная кора. Почему это происходит? Ведь в зрительную кору у слепых не поступает информация от зрительных рецепторов! Аналогичные результаты были получены при изучении мозга глухих: они воспринимали используемый ими для общения знаковый язык (жестикуляцию) в том числе и слуховой корой.

Как уже отмечалось, сенсорные зоны не связаны в коре напрямую друг с другом, а взаимодействуют лишь с ассоциативными областями. Можно предположить, что переадресация соматосенсорной информации у слепых в зрительную кору и зрительной информации у глухих — в слуховую происходит с участием подкорковых структур. Такая переадресация представляется экономичной. При передаче информации от сенсорного органа в сенсорную область коры сигнал несколько раз переключается с одного нейрона на другой в подкорковых образованиях мозга. Одно из таких переключений происходит в таламусе (зрительном бугре) промежуточного мозга. Пункты же переключения нервных путей от разных сенсорных органов близко соседствуют (рис. 3, слева).

При повреждении какого-либо сенсорного органа (или идущего от него нервного пути) его пункт переключения оккупируют нервные пути другого сенсорного органа. Поэтому сенсорные области коры, оказавшиеся отрезанными от обычных источников информации, вовлекаются в работу за счёт переадресации им иной информации. Но что происходит тогда с самими нейронами сенсорной коры, обрабатывающими чужую для них информацию?

Исследователи из Массачусетсского технологического института в США Джитендра Шарма, Алессандра Ангелуччи и Мриганка Сур брали хорьков в возрасте одного дня и делали зверькам хирургическую операцию: подсаживали оба зрительных нерва к таламокортикальным путям, ведущим в слуховую сенсорную кору (рис. 3). Целью эксперимента было выяснить, преобразуется ли слуховая кора структурно и функционально при передаче ей зрительной информации. (Напомним ещё раз, что для каждого типа коры характерна особая архитектура нейронов.) И в самом деле, это произошло: слуховая кора морфологически и функционально стала похожа на зрительную!

Иначе поступили исследователи Дайана Канн и Ли Крубитцер из Калифорнийского университета. Опоссумам на четвёртый день после рождения удалили оба глаза и через 8–12 месяцев у повзрослевших животных изучали первичные сенсорные области коры и прилегающую к ним ассоциативную зону. Как и ожидалось, у всех ослеплённых животных реорганизовалась зрительная кора: она сильно уменьшилась в размере. Зато, к удивлению исследователей, непосредственно к зрительной коре прилегала структурно новая область X. Как зрительная кора, так и область X содержали нейроны, воспринимавшие слуховую, соматосенсорную или и ту и другую информацию. В зрительной коре оставалось ничтожное число участков, не воспринимавших ни ту, ни другую сенсорную модальность — то есть сохранивших, вероятно, своё первоначальное назначение: восприятие зрительной информации.

Неожиданным оказалось то, что реорганизация коры затронула не только зрительную кору, но и соматосенсорную, и слуховую. У одного из животных соматосенсорная кора содержала нейроны, реагировавшие или на слуховую, или на соматосенсорную, или на обе модальности, а нейроны слуховой коры реагировали либо на слуховые сигналы, либо на слуховые и соматосенсорные. При нормальном развитии мозга такое смешение сенсорных модальностей отмечается только в ассоциативных областях более высокого порядка, но не в первичных сенсорных областях.

Развитие мозга определяется двумя факторами: внутренним — генетической программой и внешним — информацией, поступающей извне. Вплоть до последнего времени оценка влияния внешнего фактора была трудноразрешимой экспериментальной задачей. Исследования, о которых мы только что рассказали, позволили установить, насколько важен характер поступающей в мозг информации для структурно-функционального становления коры. Они углубили наши представления о пластичности мозга.

Почему мозг регенерирует плохо

Цель регенерационной биологии и медицины — при повреждении органа блокировать заживление рубцеванием и выявить возможности перепрограммирования повреждённого органа на восстановление структуры и функции. Эта задача предполагает восстановление в повреждённом органе состояния, характерного для эмбриогенеза, и присутствие в нём так называемых стволовых клеток, способных размножаться и дифференцироваться в различные типы клеток.

В тканях взрослого организма клетки часто обладают весьма ограниченной способностью к делению и жёстко придерживаются „специализации“: клетки эпителия не могут превращаться в клетки мышечного волокна и наоборот. Однако накопившиеся к настоящему времени данные позволяют с уверенностью утверждать, что практически во всех органах млекопитающих клетки обновляются. Но скорость обновления различна. Регенерация клеток крови и эпителия кишечника, рост волос и ногтей идут в постоянном темпе на протяжении всей жизни человека. Замечательной регенерационной способностью обладают печень, кожа или кости, причём регенерация требует участия большого числа регуляторных молекул различного происхождения. Иначе говоря, гомеостаз (равновесие) этих органов находится под системным надзором, так что их способность к регенерации пробуждается каждый раз, когда какое-либо повреждение нарушает равновесие.

Обновляются, хоть и медленно, мышечные клетки сердца: нетрудно подсчитать, что за время человеческой жизни клеточный состав сердца хотя бы раз обновляется полностью. Более того, обнаружена линия мышей, у которых практически полностью регенерирует сердце, поражённое инфарктом. Каковы же перспективы регенерационной терапии мозга?

Нейроны обновляются и в мозгу взрослого человека. В обонятельных луковицах мозга и зубчатой извилине гиппокампа, расположенного на внутренней поверхности височной доли мозга, идёт непрерывное обновление нейронов. Из мозга взрослого человека выделены стволовые клетки, и в лабораторных условиях показано, что они могут дифференцироваться в клетки других органов. Как уже упоминалось, в ассоциативных областях лобной, височной и теменной долей у взрослых обезьян образуются новые гранулярные нейроны с небольшим (около двух недель) временем жизни. У приматов также выявлен нейроногенез в обширной области, охватывающей внутреннюю и нижнюю поверхности височной доли мозга. Но эти процессы имеют ограниченный характер — иначе они вошли бы в противоречие с эволюционно сформировавшимися механизмами мозга.

Трудно представить, как человек и его младшие братья существовали бы в природе при быстром клеточном обновлении мозга. Невозможно было бы сохранять в памяти накопленный опыт, информацию об окружающем мире, необходимые навыки. Более того, оказались бы невозможными механизмы, отвечающие за комбинаторное манипулирование мысленными представлениями об объектах и процессах прошлого, настоящего или будущего — всё то, что лежит в основе сознания, мышления, памяти, языка и др.

Исследователи сходятся в том, что ограниченность регенерации взрослого мозга нельзя объяснить каким-либо одним фактором и потому нельзя снять каким-то единичным воздействием. Сегодня известно несколько десятков разных молекул, блокирующих (или индуцирующих) регенерацию длинных отростков нейронов — аксонов. Хотя уже достигнуты некоторые успехи в стимуляции роста повреждённых аксонов, до решения проблемы регенерации самих нейронов ещё далеко. Однако в наши дни, когда сложность мозга перестала отпугивать исследователей, эта проблема всё больше привлекает внимание. Но мы не должны забывать про то, о чём говорилось в предыдущем абзаце. Восстановление повреждённого мозга не будет означать полного восстановления прежней личности: гибель нейронов — это невосполнимая утрата прошлого опыта и памяти.

Что такое МЭС

Сложность механизмов регенерации мозга дала толчок поискам таких системных воздействий, которые вызывали бы движение молекул в самих нейронах и в их окружении, переводя мозг в новое состояние. Синергетика — наука о коллективных взаимодействиях — утверждает, что новое состояние в системе можно создать перемешиванием её элементов. Поскольку большинство молекул в живых организмах несёт заряд, подобное возмущение в мозгу можно было бы вызвать с помощью внешних слабых импульсных токов, приближающихся по своим характеристикам к биотокам самого мозга. Эту идею мы и попытались осуществить на практике.

Решающим фактором для нас стала медленноволновая (0,5–6 герц) биоактивность мозга маленьких детей. Поскольку на каждой стадии развития характеристики мозга самосогласованны, мы выдвинули допущение, что именно эта активность поддерживает способность детского мозга к восстановлению функций. Не сможет ли медленноволновая микро-электростимуляция слабыми токами (МЭС) индуцировать подобные механизмы у взрослого человека?

Разница в электрическом сопротивлении клеточных элементов и межклеточной жидкости нервной ткани громадна — у клеток оно в 10 3–10 4 раз выше. Поэтому при МЭС молекулярные сдвиги скорее произойдут в межклеточной жидкости и на поверхности клеток. Сценарий изменений может быть следующим: наиболее сильно начнут колебаться малые молекулы в межклеточной жидкости, низкомолекулярные регуляторные факторы, слабо связанные с клеточными рецепторами, оторвутся от них, изменятся потоки ионов из клеток и в клетку и т. д. Следовательно, МЭС может вызвать немедленную пертурбацию межклеточной среды в очаге поражения, изменить патологический гомеостаз и индуцировать переход к новым функциональным отношениям в ткани мозга. В результате клиническая картина заболевания быстро улучшится, уменьшится нейродефицит. Заметим, что процедура МЭС безвредна, безболезненна и непродолжительна: пациенту просто накладывают на определённые области головы пару электродов, подсоединённых к источнику тока.

Чтобы проверить, насколько справедливы наши предположения, мы в сотрудничестве со специалистами из нескольких клиник и больниц Санкт-Петербурга отобрали пациентов со следующими поражениями центральной нервной системы: острая стадия инсульта, невралгия тройничного нерва, опийный абстинентный синдром и детский церебральный паралич. Эти заболевания различаются по своему происхождению и механизмам развития, однако в каждом случае МЭС вызывала быстрые либо немедленные терапевтические эффекты (быстрый и немедленный — не одно и то же: немедленный эффект наступает сразу после после воздействия или же в очень скором времени). Наиболее важные из них приведены в таблице.

Столь впечатляющие результаты дают основание полагать, что МЭС изменяет функционирование сетевой структуры мозга за счёт разных механизмов. Что касается быстрых и нарастающих от процедуры к процедуре эффектов МЭС у пациентов в острой стадии инсульта, то они, помимо механизмов, рассмотренных выше, могут быть связаны с восстановлением нейронов, подавленных интоксикацией, с предотвращением апоптоза — запрограммированной гибели нейронов в зоне поражения, а также с активированием регенерации. Последнее предположение подкрепляется тем, что МЭС ускоряет восстановление функции руки после того, как в ней хирургическим путём воссоединяют концы повреждённых периферических нервов, а также тем, что у пациентов в нашем исследовании наблюдались и отсроченные терапевтические эффекты.