нейронная активность

Мозг похож на город, где каждая клетка — житель, а её судьба зависит от соседей. Раньше считалось, что старение каждой клетки — её личное дело: накопились повреждения в ДНК, значит, клетка износилась сама по себе. Но новое исследование показывает, что даже способность клетки чинить свою ДНК зависит от того, кто живёт рядом.

Лес стареет по-разному. В одном месте деревья редеют постепенно, как будто устали расти, а в другом — упорно цепляются за жизнь, тратя силы на починку повреждённых ветвей. Примерно так же выглядит старение коры мозга, если посмотреть на неё через призму тысяч МРТ-снимков. Учёные взяли снимки 952 здоровых людей и разбили кору на 148 участков.

Стопка страниц, которую листали много раз, запоминает это: одни листы ложатся ровно, другие топорщатся, а кое-где остаются заломы. Примерно так ведут себя слоистые материалы, когда в них входят ионы. В новой работе учёные наблюдали за отдельными чешуйками MXene — двумерного карбида титана — и увидели, как история циклов зарядки и разрядки меняет их структуру.

Представьте большой оркестр без дирижёра. Каждый музыкант слышит всех остальных и подстраивается под общий гул. Если каждый инструмент усиливает соседей, звук нарастает до визга, а если иногда приглушает — оркестр может замереть в тишине или сорваться в какофонию. Примерно так ведут себя сети нейронов, где связи между клетками работают как ручки громкости: одни усиливают сигнал, другие ослабляют.

В стенке каждой артерии идёт непрерывный концерт. Гладкомышечные клетки, выстилающие сосуд изнутри, одновременно строят опорный каркас из коллагена, перестраивают собственный внутренний скелет и добывают энергию из глюкозы. Дирижирует этим оркестром белок NOTCH3, который сидит на поверхности клетки и ловит сигналы от соседей. Если дирижёр замолкает, музыканты не расходятся, но начинают играть каждый по-своему.

В тёмной комнате сканера человек следит за редкими вспышками на экране. Инфракрасная камера снимает его зрачок тысячу раз в секунду, а магнитно-резонансный томограф в это время записывает, какие участки мозга включаются.

На многолюдном приёме пожилой человек переспрашивает собеседника снова и снова: слова тонут в гуле голосов. Так выглядит мост, по которому звук идёт от уха к смыслу. Пока этот мост крепок, шум лишь мешает, но не обрывает разговор. С возрастом опоры моста изнашиваются, и первыми сдают те, что держат не только слух, но и саму способность думать.

Сверхпроводящий детектор обычно работает как честная линейка: поглотил фотон — выдал импульс, амплитуда которого строго пропорциональна энергии. Такой режим удобен, но у него есть потолок: слабый сигнал легко теряется в шуме усилителя. Теперь представим качели.

Мозг можно представить как оркестр, где дирижёр — кора больших полушарий, а таламус — первая скрипка. Таламус — это центральная ретрансляционная станция: он получает сенсорные сигналы, в том числе зрительные от глаз, и передаёт их в соответствующие области коры, например в зрительную кору.

Эпителий выстилает наши органы, как плитка — пол. В покое клетки держатся друг за друга, и ткань упруга. Но во время развития зародыша, заживления раны или роста опухоли этот слой начинает течь, как густой мёд. Что именно запускает такое размягчение?

Звуковая волна, попадая в ухо, достигает улитки — спирального органа внутреннего уха, заполненного жидкостью. Внутри улитки находится базилярная мембрана — тонкая эластичная перегородка, которая колеблется под действием звука. Но это не пассивная струна: мембрана сама подкачивает энергию в слабые колебания и перестаёт это делать, когда колебания становятся сильными.

Человек подбрасывает монетку, чтобы принять решение. Стоя на месте, он видит орла. Делает несколько шагов — и снова бросает. Интуитивно кажется, что ходьба не должна влиять на исход броска. Но что, если сама прогулка меняет то, как часто он решает просто повторить прошлый результат? Именно это проверили исследователи.

Спрятанный в толстой шкатулке колокольчик можно заставить звенеть, не открывая крышку. Достаточно послать звуковую волну сквозь стенки — и язычок задрожит.

В длинных отростках нейрона — дендритах — постоянно снуют крошечные курьеры. Это молекулы матричной РНК — матричная РНК, или мРНК, — которые несут инструкции для сборки белков. Их путь начинается в теле клетки, а заканчивается в синапсах — специализированных контактах с другими нейронами.

Нейрон, передающий сигнал, подобен миниатюрному аккумулятору, который стремительно разряжается и вновь заряжается. На протяжении почти семи десятилетий считалось, что фазу перезарядки обеспечивает особый «калиевый клапан» — ионный канал, открывающийся с задержкой. Новая работа утверждает: этот ток — призрак, артефакт интерпретации.

Представьте стадион, заполненный зрителями, который впервые слышит голос комментатора — и мгновенно вся толпа приходит в движение. Сообщение звучит снова и снова, но откликается лишь горстка людей на соседних рядах.

Бактерия, например кишечная палочка, плывёт к источнику пищи. Химический сигнал — градиент концентрации питательного вещества — ведёт её вперёд, но с каждым движением сигнал меняется, потому что бактерия перемещается в пространстве. Возникает петля обратной связи: ощущение → действие → новое ощущение.

Облако атомов, охлаждённое почти до абсолютного нуля, внезапно начинает вести себя как мозг. Один возбуждённый атом запускает цепную реакцию — соседи «загораются» следом, и по газу бежит лавина активности. Физики называют это ридберговским облегчением: атомы легче возбуждаются, если рядом уже есть возбуждённый.

Мозг в медитации можно представить как оркестр, где внимание — дирижёр. Когда вы сосредоточены на дыхании, все «инструменты» играют слаженно. Но вот мысль-виолончель берёт фальшивую ноту — это естественное блуждание ума. Опытный дирижёр не паникует: он мгновенно улавливает диссонанс и мягко возвращает оркестр к главной мелодии — дыханию. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

После брошенного камня круги на воде исчезают, но жидкость хранит микроскопические колебания. Малейший порыв — и рябь возникает снова. Сети нейронов ведут себя похоже. Когда электрические сигналы затихают, память о них остаётся в точках контакта — синапсах, где передача импульсов меняет силу связей. Как вода после шторма, эти следы таят скрытую энергию.

Чтобы понять принципы работы мозга, необходимо детально знать схему соединений нейронов — так называемый коннектом. Традиционный подход напоминает попытку выяснить устройство огромной системы полива в саду, по очереди открывая каждый кран и наблюдая, куда потечёт вода.

Представьте старый театр в сыром тумане. На сцене — россыпь актёров, но лишь одного выхватывает луч прожектора, заставляя замереть в ярком пятне. Остальные клубятся в полумраке, готовые в любой миг растаять. Этот образ — ключ к одной из самых амбициозных моделей сознания. Построенной на языке квантовой механики. Вместо нейронов учёные оперируют квантовоподобным полем.

В 1905 году Эйнштейн показал, что хаотическое движение пыльцы в воде — результат ударов невидимых молекул. Спустя век физики научились не только наблюдать, но и управлять движением на квантовом уровне.

Нейрон посылает сигнал соседу. Тот отвечает не сразу — импульс бежит по отростку с конечной скоростью, как письмо, которое задерживается в пути. Обычно такую задержку считают помехой, но в новой работе она становится дирижёром. Когда два возбудимых нейрона связаны с задержкой, между ними сам собой возникает ритм.

Когда дирижёр покидает оркестр, музыканты ещё какое-то время играют по памяти. Но без единого ритма каждый начинает ускоряться или замедляться сам по себе, и слаженная симфония превращается в разрозненный шум. Примерно так же, судя по новой работе, ведут себя мозг и сердце в последние часы жизни человека.

Камера смартфона снимает всё подряд, а глаз сразу выделяет главное. Сетчатка не просто передаёт картинку в мозг — она прямо на месте подчёркивает контуры, гасит лишний шум и подстраивается под яркость. Инженеры давно пытаются повторить этот трюк в «умном» железе, чтобы камеры тратили меньше энергии и быстрее принимали решения.

Художник пишет картину, поглядывая на зрителя в зале. Если зритель улыбается — художник добавляет на холст больше красного и округлых линий, если хмурится — убирает синий и ломает углы. Примерно так же нейробиологи «допрашивают» нейроны зрительной коры, только вместо красок — сотни тысяч фотографий, а вместо улыбки — электрический импульс.

Оркестр играет без дирижёра. У каждого музыканта есть партитура — это гены. А громкость и темп зависят от акустики зала, настроения и соседей по сцене. Примерно так же наследственность и повседневная жизнь вместе создают поведение подростка. В новом исследовании учёные собрали данные тысяч детей из долгосрочного проекта ABCD.

В любой компании есть свои негласные тройки: трое друзей, которые всегда вместе. А есть пары, которые существуют сами по себе. Оказывается, от того, насколько тройки «вмещают» в себя пары, зависит, как по группе распространяется всё — от вируса до новой идеи. Учёные ввели меру, которую назвали коэффициентом вложенности. Он показывает, как часто связи внутри тройки повторяют связи в парах.

Мозг устроен как многоэтажное здание: нижние этажи обрабатывают простые сигналы, а верхние собирают их в сложные образы. Учёные давно подозревают, что этот порядок связан с тем, как нейроны работают вместе. Но как именно — оставалось загадкой. Исследователи записали электрическую активность тысяч нейронов в зрительной коре и гиппокампе мыши.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

Нейрон, который только что успокоился, похож на пианиста, убравшего руки с клавиш. Но внутри него продолжается беззвучная работа: крошечные насосы выкачивают ионы хлора наружу, возвращая инструмент в состояние готовности. Если насосы не справляются, хлор накапливается — и тогда тормозной сигнал, призванный утихомирить клетку, вдруг начинает её возбуждать.

Нейрон воспринимает электрические сигналы, подобно сверхчувствительному микрофону, улавливающему малейшие колебания. Его «слуховой аппарат» — ионные каналы, белковые поры в клеточной мембране, которые открываются в ответ на изменение трансмембранного напряжения, порождаемого движением заряженных частиц.

Кухонный нож и овощечистка по отдельности справляются с разными задачами, но когда повар учится новому рецепту, он часто хватается за один и тот же нож для всего. Похоже, так же поступает мозг, когда осваивает новый навык различения образов. В эксперименте обезьяны неделями тренировались различать едва заметные отличия в сложных узорах.

Плодовая мушка дрозофила — крошечное существо с мозгом размером с маковое зёрнышко. В нём около ста тысяч нервных клеток, и учёные уже составили полную карту их соединений — как схему городского метро, где станции — нейроны, а линии — связи между ними. Эта схема называется коннектомом.

Внутри каждой клетки есть каркас из нитей — как строительные леса, которые придают ей форму и позволяют двигаться. Эти нити соединяют белки-сцепки: одни просто держат их вместе, как верёвки, а другие работают как крошечные моторы, ползущие по нитям и тянущие их друг к другу. От того, как слаженно работает эта команда, зависит, сможет ли клетка делиться, ползти или менять форму.

Ночью мозг не выключается. Вместо этого он перебирает события дня, как библиотекарь расставляет книги по полкам. Но откуда берутся странные, порой бессмысленные образы во сне? Многие считали, что это просто случайный шум, не имеющий значения. Новая компьютерная модель показывает: случайность не мешает, а помогает. Мозг берёт случайные сигналы и превращает их в полезный опыт.

Офис, где сотрудники обмениваются записками. Пока задач мало, каждый работает сам по себе. Но приходит срочный заказ — и одни отделы начинают активно слать сообщения другим, а общая работа становится слаженнее. Примерно так ведет себя мозг, когда мы пытаемся удержать в уме несколько вещей одновременно. Ученые нашли способ заглянуть в эту «переписку».

Человек пытается не думать о ссоре, которая случилась утром, но в голову лезут яркие картинки. Одновременно он готовит отчёт и держит в уме цифры. Получается плохо: память мешает работе, а работа не даёт забыть. Учёные решили проверить, как мозг справляется с такой двойной нагрузкой у людей с разным уровнем тревожности. В опыте участвовали 47 здоровых добровольцев.