В структуре головного мозга человека насчитывается около 100 млрд нейронов, взаимодействующих между собой посредством сложной сети функциональных связей. Формирование этой межнейронной сети начинается в антенатальный период в соответствии с программой индивидуального генетического кода. В новом исследовании научными сотрудниками Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology), Германия, предложен новый взгляд на механизм функционирования навигационной системы, направляющей аксональный рост в период активного формирования названных структур.
Ранее было известно, что общая протяженность сети нервных волокон головного мозга человека составляет более 500 тыс. км. Также обоснованным считалось положение о том, что аксональный рост контролируется определенной навигационной системой, предотвращающей нарушения морфологии нейронной сети. Однако до настоящего времени оставались невыясненными механизмы целевой топографии роста нервных волокон.
Описывая данный феномен, авторы исследования сравнили особенности становления указанного физиологического механизма с автоматической системой дорожного движения. Так, подобно транспортным средствам, обменивающимся необходимой информацией между собой и с передатчиками сигналов, апикальные молекулярные рецепторные структуры нервных волокон служат в качестве антенн — акцепторов сигналов от протеинов на пути целевого «маршрута следования», а также других волокон, пересекающих этот путь. Достигнув цели, аксоны формируют взаимосвязи с другими нейронами, синапсами.
Примером такой аппаратной сети в организме является связь между сетчаткой и головным мозгом. Около 1 млн нервных волокон достигает зрительных областей через зрительный нерв. Генетически запрограммированная направленность нейронной ориентации обусловливает точное проецирование сигналов и таким образом позволяет новорожденному младенцу видеть и оценивать изображение. Ученые подчеркнули, что эта жизненно важная способность развивалась в процессе эволюции, не подкрепляясь индивидуальным опытом, поэтому лишь немногие синапсы нашего мозга связаны с обучением.
Установлено, что чувствительность аксонов к входящим сигналам их белковой навигационной системы снижается по мере дифференциации сети. Фактически аксоны десенсибилизированы в отношении всех типов направляющих сигналов при неизменном сохранении силового соотношения стимулов. В итоге целевая направленность характеризуется установленной взаимосвязью нескольких сигналов, а не интенсивностью единого стимула. Благодаря такому модулированному сочетанию чувствительности аксональная навигационная система уравновешивает физиологический конфликт между индивидуальной генетической программностью развития и необходимой изменчивостью сигналов. Подобный тип взаимообусловленного регулирования сигнала достаточно необычен для биологических систем.
Исследователи все еще не готовы ответить на вопрос о причинах развития десенсибилизации системы аксональной навигации вопреки предположению о том, что сильный сигнал служит безусловным направляющим целевым стимулом. Однако авторы исследования исходят из гипотезы, предполагающей стратегию экономии энергии, поскольку описанная передача сигнала достаточно энергозатратна для организма.
Подводя итоги исследования, ученые отметили, что фактически природа стремится к хаосу, и установление негэнтропии как меры порядка в биологической системе требует энергетических ресурсов. Ничто в биологии не является более упорядоченным, чем сложность головного мозга человека, и лишь при минимизации затрат на формирование нейронных сетей становится возможным достижение максимальной производительности, необходимой для оснащения центральных нервных структур таким высокодифференцированным «компьютером познания».
- Karlsruher Institut für Technologie (2017) Navigation system of brain cells decoded. ScienceDaily, Oct. 25 (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171025105041.htm).
Наталья Савельева-Кулик
