Собрать мозги в кучку: как появляются извилины

Лишь треть коры нашего головного мозга видна при взгляде снаружи, остальные две трети «спрятаны» в борозды. Indicator. Ru рассказывает, зачем нашему мозгу быть похожим на грецкий орех, как он таким становится и как это связано со старением и болезнью Альцгеймера.

Новое исследование ученых из Университета Ньюкасла (Великобритания) и Университета Рио-де-Жанейро (Бразилия), о котором сообщается в PNAS, описывает процесс формирования складок мозговой коры человека и показывает, как извилины меняются с возрастом.

Без извилин — совсем тупайя

Если взять и распрямить все складки и борозды коры одного полушария мозга среднего взрослого человека, она займет площадь около 100 000 мм², что примерно в полтора раза больше, чем лист бумаги А4.

Складчатость коры полушарий головного мозга — одна из ключевых характеристик нашего мозга. Звучит почти геологически, но именно так эволюция научилась экономить пространство внутри нашей черепной коробки, увеличивая площадь «рабочей поверхности». Ведь именно в коре головного мозга содержится то самое серое вещество — тела нейронов, наших нервных клеток.

В ходе эволюции млекопитающих происходило расширение и усложнение организации их коры головного мозга. Пойти «против мейнстрима» может только тупайя — пушистый представитель одноименного отряда зверьков с Малайского архипелага и окрестностей, у которого кора полушарий абсолютно гладкая. Нельзя сказать, что без извилин им живется тяжело, разве что в раннем детстве, которое длится меньше месяца — детенышей они не воспитывают и даже узнать их без своих пахучих меток не могут, а кормят один раз в 48 часов. Но для компенсации отсутствия извилин тупайям пришлось изменить соотношение массы мозга к массе тела, которое стало больше человеческого, но умнее нас это их вовсе не сделало (о том, имеет ли размер мозга значение и какие преимущества это помогает получить среди представителей нашего вида, Indicator.Ru уже писал).

Стянутые «швы» нервной ткани

Предыдущие исследования показали, что у млекопитающих формирование борозд и извилин подчиняется единому закону в ходе физической самоорганизации, что подтверждало догадки ученых XIX века — немецкого анатома Гиса и англичанина Томпсона. В 1997 году нейробиолог Дэвид Ван Эссен из Университета Вашингтона в Сент-Луисе опубликовал в Nature статью, где предположил, что нейроны не просто обмениваются информацией, но и могут создавать натяжение, что заставляет их притягиваться и отталкиваться. По его мнению, в первые 6 месяцев внутриутробного развития человека нейроны на основе этих взаимодействий формируют кору головного мозга такой, какой мы привыкли ее видеть. Где сигналы интенсивнее, там больше связывающих отростков нейронов, аксонов, а следовательно, натяжение сильнее.

Из-за натяжения между аксонами нервные волокна собирают на себе складки, как продетая сквозь ткань нитка, если за нее потянуть. На основании гипотезы Ван Эссена и доступных науке знаний о физике мембран была выведена формула, позволяющая рассчитать соотношение между толщиной слоя, площадью наружной (находящейся на выпуклой поверхности извилин) областью коры и общей площадью ее поверхности. Эта закономерность была выведена для млекопитающих в целом, но насколько хорошо она соблюдается внутри одного вида, а также как в нее вписываются индивидуальные, гендерные и возрастные различия, оставалось неясным.

«Размягчение мозгов»

Чтобы восполнить этот пробел, английско-бразильская группа исследователей собрала данные магнитно-резонансной томографии мозга тысячи человек.

«Составив карты складчатости коры мозга более 1000 человек, мы показали, что наш мозг формируется согласно простому универсальному закону, — прокомментировала свою работу ведущий автор исследования, доктор Юджианг Ванг из Университета Ньюкасла. — Мы также показали, что параметр этого закона, который называется натяжением внутри коры, снижается с возрастом».

Оказалось, что натяжение связей, из-за которого образуются извилины, с возрастом становится слабее, как это происходит, например, в дряблой коже пожилого человека. Также ослабление связей происходит и при нейродегенеративных заболеваниях.

«В случае болезни Альцгеймера этот эффект наблюдается в более раннем возрасте и сильнее выражен. Следующим шагом нашей работы станет проверка, можно ли использовать эти изменения мозга в качестве индикатора, чтобы обнаружить заболевание на ранней стадии», — сообщила доктор Ванг.

Что у женщин не сложилось?

Несмотря на то, что формирование борозд и извилин у женщин и мужчин подчиняется одному правилу, у мужчин кора полушарий оказалась немного более складчатой, чем у женщин того же возраста. Также было показано, что у представителей разных полов немного отличается площадь коры.

Однако ведущий автор исследования доктор Ванг рассказала, что эти различия невелики. В целом в течение жизни у здоровых людей вне зависимости от пола складчатость коры изменяется постепенно и однообразно, в то время как при болезни Альцгеймера они проявляются гораздо резче. Так, с возрастом у здоровых людей монотонно меняется изогнутость и наклон извилин, а у больных, страдающих от синдрома Альцгеймера, изогнутость сразу ниже, чем у здоровых людей, и долго остается на таком уровне, зато наклон меняется.

«Нужно больше работать в этой области, но, кажется, это подразумевает, что синдром Альцгеймера, который мы наблюдаем на коре больших полушарий, связан с механизмами старения».