Сюзана Херкулано-Хузел

Мозг. Такой ли он особенный?

Моим родителям, Селене и Дарли, – они дали мне крылья и научили летать.
Джону Каасу – он дал мне мужество взлететь на головокружительную высоту.
SUZANA HERCULANO-HOUZEL

THE HUMAN ADVANTAGE

A NEW UNDERSTANDING OF HOW

OUR BRAINS BECAME REMARKABLE



© 2016 Massachusetts Institute of Technology

© ООО «Издательство АСТ», 2019

Предисловие

Конечно, мы особенные, не так ли?

Люди удивительны и неподражаемы. Наш мозг в семь раз превосходит размер того мозга, который необходим нам в соответствии с размерами нашего тела, и развивается он чрезвычайно долго. Кора нашего мозга – самая большая его часть в сравнении с массой остального мозга, а самая большая часть коры – это префронтальная кора. Человеческий мозг потребляет огромное количество энергии: 25 % калорий, затрачиваемых нами в сутки, уходят на обеспечение работы головного мозга. По меркам эволюции наш мозг стал громадным за очень короткое время, оставив далеко позади мозг наших ближайших родичей – человекообразных обезьян с их тощими мозгами, которые не составляют по массе и трети нашего мозга. Значит, человеческий мозг особенный, правильно?

Нет, неправильно, согласно полученным в моей лаборатории новым данным, с которыми вы познакомитесь, наш мозг замечателен – это так, но он не особенный, в том смысле, что он не является исключением из эволюционных правил. Тем не менее, как представляется, наш мозг самый способный на нашей планете, во всяком случае, это мы изучаем мозг остальных животных, а не они – наш. Но если наш мозг не является эволюционным исключением, то в чем же тогда заключается преимущество человека?

«Преимущество человека» предлагает вам отказаться от предубеждения, согласно которому мы считаем людей исключительными существами, и вместо этого взглянуть на человеческий мозг в свете эволюции и новых данных, каковые позволяют увидеть, что нечто другое делает наши способности уникальными, а именно то, что наш мозг превосходит мозг других животных не потому, что мы являемся исключением эволюции, а потому, что по простым эволюционным причинам в нашей коре содержится наибольшее число нейронов, недоступное другим животным видам. Я возьму на себя смелость утверждать, что преимущество человека заключается, во-первых, в том факте, что мы принадлежим к приматам и, как у таковых, наш мозг построен по весьма экономичному принципу, что позволяет уместить большое число нейронов в относительно небольшом объеме, в сравнении с другими млекопитающими. Во-вторых, мы принадлежим к тому виду приматов, которые получили преимущество благодаря тому факту, что полтора миллиона лет назад наши предки проделали трюк, который позволил их потомкам легко и непринужденно получить огромное количество корковых нейронов, а по данному показателю с нами не может соперничать ни одно животное; и этот трюк – приготовление пищи. В-третьих и в-последних, вследствие быстрого роста головного мозга, которое стало возможным из-за потребления дополнительных калорий (благодаря готовке и горячей пище), мы стали видом, обладающим наибольшим числом нейронов в коре головного мозга – части мозга, ответственной за отыскание закономерностей, логическое мышление, предвосхищение неприятностей и подготовку к ним, за изобретение технологий и передачу их потомкам в рамках культурной традиции.

Сравнение человеческого головного мозга с мозгом десятков других видов животных излечивает от высокомерия и учит смирению; именно это сравнение напоминает мне, что у нас нет никаких причин считать, что наш мозг является эволюционным исключением и что мы были тем или иным путем «избраны». Я надеюсь, что это новое понимание человеческого мозга поможет нам лучше оценить наше место на Земле как вида, в котором хотя и нет ничего экстраординарного (так как наш вид подчиняется тем же эволюционным законам, которые управляют развитием всех прочих приматов), но который все же является на самом деле замечательным в отношении своих когнитивных способностей и, благодаря выдающемуся числу нейронов, возымел возможность изменять свое собственное будущее, как в лучшую, так и в худшую сторону.


Рио-де-Жанейро, январь 2015 года


Благодарности

Эта книга подытоживает десятилетнюю работу, которая стала возможной в первую очередь при поддержке и щедрости Роберто Лента, который благодаря своему авторитету в научном сообществе смог открыть новый отдел в Институте биомедицинских наук Федерального университета Рио-де-Жанейро, который я возглавила, и поддержал мою безумную идею – превратить мозг в суп, а затем попытаться определить, из чего этот суп состоит. После этого наши пути разошлись, но я до сих пор с благодарностью вспоминаю его наставления.

Джон Каас, выдающийся ученый с кафедры психологии университета Вандербильта, вошел в мою профессиональную жизнь и преобразил ее в 2006 году, когда началось наше сотрудничество. С тех пор мы встречаемся пару раз в год, на научных конференциях или в его лаборатории в Нэшвилле, в Теннесси, где он и его очаровательная жена Барбара Мартин принимали меня (обеденный стол в их квартире был свидетелем рождения многих моих научных статей), кормили (Джон готовит непревзойденную feijoada) и согревали мою душу дружбой и содержательными беседами. Коллеги часто считают его моим бывшим консультантом (которым он никогда не был, хотя этим он оказал бы мне честь), но, на самом деле, он сделал для меня нечто намного большее: Джон – мой дорогой друг и своего рода научный отец, человек, который решил присматривать за мной просто потому, что мог это делать. Спасибо вам, Джон, спасибо за все.

Мне посчастливилось в ходе работы повстречать на пути совершенно фантастических людей. Бруно Мота – это одновременно замечательный друг и великолепный сотрудник, он всегда оказывался рядом, когда речь заходила о математической обработке результатов, мы много спорили о том, является ли жизнь оптимальным феноменом (на взгляд физика Моты) или просто достаточно сносной (это мой взгляд как биолога). Пол Мэнджер должен был одарить меня половиной головного мозга слона, но вместо этого доверил мне десятки экземпляров этого органа самых разнообразных животных – крупных и мелких, а заодно и своей чудесной дружбой. Карл Херруп, которого я считаю моим почетным консультантом, всегда оказывал мне неоценимую помощь, давал полезные советы и подбадривал на нелегком и тернистом пути. Как это здорово, что все вы были рядом со мной, друзья.

Работа, на которую я опиралась при написании книги, стала возможной благодаря помощи со стороны многих людей. Помимо Роберто Лента, Джона Кааса и Пола Мэнджера, я хотела бы выразить свою благодарность Кену Катаниа, лучшему биологу из всех, кого я знаю; Леа Гринберг, Вильсону Джекобу Фильо и их коллективу из USP; Кристине Коллинз и Пейяну Вонгу; и всем ученым, которые участвовали в упомянутых в книге исследованиях, в особенности Карине Фонсека-Азеведо, Фредерико Азеведо, Педро Рибейро, Мариане Габи, Камиле Авелино-де-Соуза, Клеберу Невесу и Родриго Казу. Очень помогли и многие косвенные сотрудники, люди, которые тем или иным способом помогали мне по ходу работы и моего становления в качестве нейроанатома (специальности, которой я не училась в университете): Георг Штридтер, Патрик Хоф, Роб Бартон, Ричард Пассингхэм, Джек Джонсон, Паско Ракич, Чет Шервуд, Леа Крубитцер, Джим Бауэр, Стивен Ноктор, Чарлз Уотсон и Джордж Паксинос. Спасибо всем вам за то, что вы всегда были рядом.

Научные исследования в Бразилии финансируются исключительно федеральными фондами и фондами штатов, и мне хотелось бы поблагодарить CNPq и FAPERJ за финансовую поддержку в течение многих лет. Я также безмерно благодарна фонду Джеймса МакДоннелла за поддержку, которую он оказывал мне с 2010 года, несмотря на то что работы, выполненные на эти деньги, еще только ждут своей публикации.

Великолепные иллюстрации, которыми снабжена книга, выполнены Лореной Кац, талантливой молодой художницей, с которой мне посчастливилось целый год провести в лаборатории, благодаря стипендии от CNPq.

Я благодарю моего редактора из MIT-Press Боба Прайора за предложение написать книгу, за его терпение, когда появление новых данных в очередной раз задерживало выход книги и заставляло менять сроки ее сдачи. Я также благодарна Крису Айеру и Кэтрин Алмейде за их редакторскую поддержку, Джеффри Локриджу за умелое и грамотное редактирование и Кэти Хоуп за ее усилия по продвижению книги.

Эта книга стала читабельной для широкого круга читателей благодаря неоценимой помощи со стороны моей матери, социолога, и дочери, которой было в то время пятнадцать лет, – они читали черновик каждой следующей главы и без церемоний говорили, что в ней было для них непонятно. Все недостатки в тексте тем не менее на моей совести, а не на их. (С другой стороны, мой отец не был мне помощником, потому что у него никогда не было замечаний, а только вопросы, на которые я попытаюсь ответить в следующей книге.)

Мои родители никогда не уставали побуждать меня к тому, чтобы я стала тем, кем я всегда хотела быть – ученым, несмотря на то что это не самая популярная карьера в Бразилии (насколько плох этот выбор, иллюстрируется тем фактом, что моя мама всегда хотела, чтобы я стала музыкантом). Они всегда учили, что не надо бояться оспаривать авторитеты, настояли на изучении мною иностранных языков и научили меня отстаивать мои взгляды, а затем, глубоко вздохнув, купили мне билет на самолет и отправили завершать образование в Соединенные Штаты в нежном возрасте 19 лет, когда бразильцы в большинстве своем живут дома и только-только готовятся к поступлению в колледж. Мои родители дали мне крылья и вытолкнули из гнезда, хотя это и означало для них разлуку со мной. Единственное, чего я хочу, – чтобы они могли гордиться мной.

Последнее, но самое главное – это моя благодарность моей домашней толпе – моим детям, Луизе и Лукасу, и моему мужу Жозе Малдонаду. Спасибо вам, ребята, за ваше терпение, за снисхождение к моему постоянному ношению шапки-невидимки (это единственный способ работать дома; очень рекомендую его!), простите меня за блуждания по дому с отсутствующим взглядом, когда в голове у меня были только числа и расчеты. Спасибо за то, что вы терпеливо выслушивали мои нескончаемые рассказы о новых открытиях в науке, за то, что неустанно подбадривали меня во время работы, за высокую ее оценку. Ваше счастье сделало мою книгу достойной его.

1. Люди рулят!

Итак, мы особенные – ну, по крайней мере, так пишут в большинстве книг по нейробиологии. Картина, действительно, впечатляющая: в головном мозге человека 100 миллиардов нервных клеток, в десять раз больше глиальных клеток, очень большая кора, а, кроме того, мозг человека увеличился в объеме в три раза за какие-то полтора миллиона лет – ничтожно малый отрезок времени по масштабам эволюции. В то же время мозг высших обезьян за это время сохранил свой прежний объем – в три раза меньше нашего, причем этот объем сохраняется у них на протяжении 6 миллионов лет. Люди вида sapiens сосуществовали с неандертальцами и в какой-то мере смешивались с ними, но в конце концов наш вид возобладал. Мы стали править миром более разнообразными способами, чем любой другой вид животных, когда-либо господствовавших на Земле; современные люди могут жить в любом месте нашей планеты и даже за ее пределами.

За всеми этими достижениями стоит то, что я называю «преимуществом человека». Насколько мне известно и каким бы самонадеянным это ни казалось, факт остается фактом: мы единственный в природе вид, способный изучать самих себя и другие существа и порождать знания, превосходящие те, которые получают непосредственно с помощью естественных органов чувств; мы можем играть этими знаниями, исправлять наши несовершенства с помощью очков, имплантатов и хирургических операций и, таким образом, повышать шансы на выживание, данные нам естественным отбором; мы можем модифицировать окружающую среду в такой степени (к лучшему или к худшему), что получаем возможность селиться в местах, ранее бывших непригодными к проживанию. Мы единственный вид, способный изготовлять орудия для производства других орудий и технологий, которые позволяют нам решать самые разнообразные проблемы; мы совершенствуем эти способности, изыскивая решения все более и более сложных проблем; мы изобретаем способы регистрации полученных знаний и передачи их следующим поколениям методами, не требующими непосредственной демонстрации навыков и знаний. Несмотря на то что всего этого можно достичь и не обладая когнитивными способностями, присущими исключительно нашему виду (подробнее об этом ниже), мы определенно подняли наши способности на такой уровень, что стали недосягаемы для всех возможных соперников.

В течение десятилетий ученым казалось, что преимущество человека обусловлено рядом признаков, делающих наш мозг уникальным и причудливым исключением из правила. Гориллы превосходят нас массой тела в два-три раза, но масса их головного мозга составляет лишь одну треть от таковой нашего мозга, то есть масса нашего мозга в семь раз превышает необходимый для нас – по биологическим законам – мозг. Этот мозг дорого нам обходится, так как он потребляет такое количество энергии, какое превосходит все разумные пределы: на работу мозга уходит одна треть всей энергии, потребляемой нашим организмом – на работу мышц и всех остальных органов, притом что масса мозга составляет всего 2 % от массы тела. Правила, по которым работают организмы других животных, не работают у нас. Представляется вполне уместным полагать, учитывая наши достижения, выделяющие нас из всего царства живых существ, что наши необыкновенные умственные способности должны требовать необыкновенного мозга.

На самом деле, при том, чего может достичь наш мозг, он определенно должен быть удивительным и замечательным. Но действительно ли он так необычен? Этот вопрос мы и попробуем разобрать на страницах «Преимущества человека». На самом ли деле наш мозг состоит из ста миллиардов нейронов и триллиона глиальных клеток, как утверждали и утверждают уважаемые специалисты? (В реальности это не так.) Действительно ли масса нашего головного мозга в семь раз больше необходимой? (Это правда, но только в сравнении с высшими обезьянами, которые как раз и являются исключениями, а вовсе не мы.) Действительно ли наш мозг потребляет немыслимое количество энергии? (Если учесть количество нейронов, то нет.) Но если оказывается, что в человеческом мозге нет ничего особенного, то как он достигает таких замечательных результатов?

Каким образом мы, люди, в отличие от всех прочих биологических видов, достигли таких удивительных умственных способностей, что случилось в ходе эволюции, почему наш вид превзошел все остальные? Как получилось, что именно люди, а не высшие человекообразные обезьяны получили столь большой мозг за такое короткое время? На самом ли деле смысл эволюции заключался в безостановочном прогрессе жизненных форм, кульминацией которого стал человек – венец всего живого на Земле?

Люди наверху: эволюция как прогресс

Нет ничего удивительного, что история о том, как человеческий мозг стал считаться особенным, тесно переплелась с историей самой эволюции, причем долгое время обе эти истории подвергались множеству толкований, опиравшихся на весьма скудные факты.

Жизнь изменяется в масштабах геологического времени, она изменялась и изменяется, начиная с момента своего появления около 3,7 миллиарда лет назад. Это факт, который не зависит от каких бы то ни было интерпретаций, как и тот факт, что в ископаемом материале нет человекоподобных существ старше 4 миллионов лет, то есть мы являемся весьма недавним «изобретением». Эти факты изменений жизни с течением времени, изменений, которые теперь называют «эволюцией», были обнаружены и осознаны менее двухсот лет назад. С тех пор непрерывно меняется и само понимание эволюции – от прогресса, ведущего к совершенству, до представлений о простых изменениях с течением времени, и эти представления сохраняют свое значение до сих пор, что будет ясно после прочтения этой главы. Однако отсутствие представлений об эволюции не мешало человечеству изучать многие связанные с нею факты, например порожденное эволюцией чудесное разнообразие жизненных форм.

Перед лицом этого разнообразия наш мозг автоматически создает категории, куда втискивает самые буйные его формы. Так же как письменные принадлежности распадаются на категории «ручки» и «карандаши», а колесные транспортные средства распределяют по категориям «легковые машины», «грузовики» и «велосипеды», так и видимые невооруженным глазом живые существа уже во времена Аристотеля (около 2300 лет назад) были разнесены на две категории: «растения» и «животные». Однако Аристотель пошел еще дальше и предположил существование «Великой цепи бытия» – scala naturae, лестницы природы, – согласно которой все природные вещи упорядочены на ступенях иерархической лестницы категорий в нисходящем порядке, от первичного двигателя на вершине лестницы до минералов в ее подножии. В середине лестницы располагаются животные, упорядоченные «по степени совершенства их душ»[1]. На этой лестнице природы, которую ученые принимали за истину в течение многих столетий, человек занимал второе после Бога положение.

До признания концепции эволюции как понятия об изменчивости с течением времени эту иерархию считали фиксированной: жизненные формы всех имеющихся категорий всегда были, есть и будут неизменными – и натуралисты ограничивали свое мышление и результаты наблюдений многообразия жизненных форм категориями неизменной лестницы природы. Однако в восемнадцатом и девятнадцатом веках обнаружение все большего числа ископаемых останков живых существ в геологических слоях разных эпох с неизбежностью привело к появлению новой концепции о полной изменчивости внешнего вида и строения живых существ с течением времени. В 1859 году Чарльз Дарвин в строгих понятиях выразил суть эволюции для последующих поколений. В свете эволюции лестница природы получила временную ось и в глазах последователей Дарвина превратилась в лестницу эволюции, по которой организмы постепенно восходят наверх по мере своего развития, идя от простого к сложному. Теперь лестницу представляли себе не как нечто фиксированное, а как телескопическую лестницу, которая со временем растет в высоту (рис. 1.1), по направлению к человеку. Такой взгляд вполне соответствовал тому факту, что в ископаемых останках человек появился позднее всех других живых существ.



Рис. 1.1. Упрощенная версия лестницы природы для позвоночных (слева) и та же шкала, ориентированная вдоль оси эволюционного времени, то есть с учетом того, что жизнь развивалась во времени (на рисунке отрезки времени не указаны). Слияние линий (справа) указывает, что современные птицы и млекопитающие (помещенные вверху) имеют общего предка, а их общий предок имел общего предка с современными пресмыкающимися, а их общий предок имел общего предка с современными земноводными, и так далее, до появления на планете первых жизненных форм. Это «генеалогическое древо» позвоночных не соответствует действительности; см. рис. 1.4



Так рассуждал немецкий невролог Людвиг Эдингер, которого многие считают отцом сравнительной нейроанатомии. В конце девятнадцатого века Эдингер рассматривал эволюцию головного мозга (в соответствии с концепцией Дарвина) как прогрессирующую и нелинейную (в соответствии с телескопической версией аристотелевской лестницы, которая развертывается с течением времени эволюции): от рыб к амфибиям, потом к рептилиям, птицам и млекопитающим – кульминацией этого развития стал человеческий головной мозг, естественно, в восхождении от «низшего» к «высшему» интеллекту, согласно предполагаемой последовательности, в которой на Земле появлялись разные группы позвоночных животных. В процессе восхождения по лестнице, рассуждал Эдингер, мозги существующих позвоночных сохраняли структуры мозга предшественников. Следовательно, ввиду прогрессивной эволюции сравнение анатомии мозга существующих видов должно выявить происхождение более поздних структур от старых структур предшествующих видов. Предполагаемое свидетельство «прошлых жизней», запечатленное в структурах современного мозга, находит свое отражение в законе рекапитуляции, сформулированном в 1866 году немецким эмбриологом Эрнстом Геккелем в афоризме: «Онтогенез повторяет филогенез» (то есть индивидуальное развитие отдельного организма повторяет ход эволюции). Геккель утверждал, что развитие недавних («передовых») видов последовательно проходит стадии, представленные во взрослых организмах более старых («примитивных») видов. Эдингер распространил на взрослый мозг различных биологических видов то, что Геккель, как он считал, наблюдал у их эмбрионов.

Так и получилось, что в начале двадцатого века, в соответствии с идеями прогрессивной эволюции от рыб к земноводным, от земноводных к пресмыкающимся, а далее к птицам и млекопитающим и, в частности, к человеку и при учете постепенного увеличения сложности и размеров, Эдингер предположил, что каждая новая группа позвоночных в ходе эволюции приобретала более совершенные отделы мозга, которые, подобно геологическим породам, наслаивались на предыдущие, более старые отделы головного мозга (рис. 1.2). Слоистое расположение этих отделов отражало основное деление человеческой центральной нервной системы (спинной мозг, продолговатый мозг, мост, мозжечок, промежуточный мозг, средний мозг и конечный мозг), такие отделы можно обнаружить у всех позвоночных животных. Соответственно, конечный мозг – верхний слой, а, следовательно, самый молодой – является тем отделом, который сильнее всего отличается своими размерами от соответствующего слоя других биологических видов и характерен именно для человеческого мозга, где его масса составляет 85 % массы всего головного мозга (рис. 1.3).

В 1908 году Эдингер предположил, что выдающаяся роль конечного мозга у млекопитающих, в особенности у человека, служит признаком эволюционного статуса человека как «высшего» среди животных. Эдингер считал, что и сам конечный мозг развивался постепенно за счет добавления слоев: предковая часть конечного мозга (полосатое тело) контролирует инстинктивное поведение; за полосатым телом последовало добавление нового участка (слоя) плаща или коры, которая контролирует обучение и разумное поведение, – и эта часть наиболее развита у людей[2]. По ходу эволюции первичный конечный мозг рыб обладал маленькой корой и относительно большим полосатым телом, к которому у пресмыкающихся добавились новые слои. У птиц развилось гипертрофированное полосатое тело, но кора осталась практически такой же; напротив, у млекопитающих произошло самое главное и выдающееся усовершенствование: на древней коре, палеокортексе, вырастает новая кора, неокортекс. Этот взгляд стал господствующим в неврологической науке, что было отражено в учебнике сравнительной нейроанатомии, опубликованном в 1936 году[3].



Рис. 1.2. По мнению Эдингера, как млекопитающие в своем прогрессивном развитии проходят стадию птиц, а птицы в своем развитии проходят стадию пресмыкающихся, так и мозг в своем развитии в каждой группе позвоночных приобретает новые структуры поверх тех, которые были присущи и более старым видам (слева). Результирующая слоистость структуры напоминает о последовательности структур, из которых состоят головной и спинной мозг позвоночных (справа), сверху (конечный мозг) донизу (спинной мозг)



Идея (ошибочная) о том, что новая кора была недавним приобретением млекопитающих, новым слоем, уложенным поверх старых структур, стала настолько популярной, что дошла до двадцать первого века, в ее основе был предложенный нейроанатомом Полом Мак-Лином принцип «триединого мозга», состоящего из комплекса пресмыкающегося (от продолговатого мозга до базальных ганглиев), к которому (комплексу) добавился комплекс «древних млекопитающих» (лимбическая система), а позже «комплекс новых млекопитающих» – неокортекс[4]. Интуитивное (но неверное) уравнивание эволюции с прогрессом, вкупе с соблазнительной идеей о примитивном мозге пресмыкающихся, который, как полагали, неспособен к таким сложным действиям, как новый мозг млекопитающих, привлекло внимание СМИ, когда было отчетливо сформулировано в 1977 году Карлом Саганом в популярной книге «Драконы Эдема»[5].



Рис. 1.3. Несмотря на то что человеческий мозг имеет те же отделы, что и мозг всех позвоночных животных, конечный мозг человека (кора мозга + полосатое тело) в несколько раз превышает размерами все остальные, взятые вместе, структуры головного мозга



Однако триединый мозг – всего лишь фантазия. По мере того как обнаруживалось все больше и больше ископаемых останков динозавров, часть из которых оказались пернатыми, стало ясно, что современные ящерицы, крокодилы и птицы являются близкими кузенами, и теперь все они считаются рептилиями (пресмыкающимися), включая и птиц, в то время как современные млекопитающие отделились от них на очень ранней стадии, от сестринской группы в самом начале амниотической жизни[6] (рис. 1.4). Таким образом, млекопитающие никогда не были пресмыкающимися или птицами в далекое по эволюционным меркам время; мозг млекопитающих по меньшей мере так же древен, как мозг птиц и других рептилий, если не старше, просто он развивался по иному эволюционному пути. В самом деле, современные нейроанатомические исследования показали, что «полосатое тело» птиц[7] имеет ту же организацию и функцию, что и кора мозга млекопитающих, – это просто два различных варианта одной структуры, которая работает весьма схожим образом[8]. Так, если млекопитающие не произошли от пресмыкающихся, то они не могут иметь мозг, построенный путем добавления слоев поверх мозга рептилий. Сравнивать мозг млекопитающих и пресмыкающихся и допускать, что один из них получился в результате наложения новых структур поверх структур другого, столь же абсурдно, как, глядя на двух двоюродных братьев, предполагать, что один из них является потомком другого. Тем не менее идея о предковом «мозге пресмыкающегося» оказалась весьма живучей, и многие ученые-неврологи, не имеющие подготовки в области эволюционной биологии, до недавнего времени сравнивали мозг рептилий и млекопитающих так, словно заглядывали при этом в эволюционное прошлое.



Рис. 1.4. Современная трактовка основанных на фактических данных эволюционных отношений между четвероногими позвоночными (справа), противопоставленная прежним взглядам, базирующимся на вытягивании лестницы природы вдоль оси эволюционного времени (слева). Млекопитающие (современные терапсиды) и пресмыкающиеся (современные зауропсиды, к которым относят и птиц) являются сестринскими группами. Следовательно, млекопитающие просто не могли произойти от рептилий



Лестница эволюционного восхождения мозга, созданная Эдингером, не выдерживает проверки перед лицом фактов эволюции: виды не всегда «прогрессивно» развиваются в более сложные жизненные формы по мере развития[9]. Определенно, что большинство сложно устроенных существ, обнаруживаемых в то или иное время эволюции, становились все более сложными по мере своего развития, но, несмотря на это, в биомассе Земли преобладают намного более простые одноклеточные жизненные формы, а кроме того, есть масса примеров того, как многие организмы в ходе эволюции становились мельче и проще, как, например, летучие мыши или внутриклеточные паразиты. Эволюция – это не прогресс, это просто изменения с течением времени.

Идея о том, что эволюция повторяет этапы развития ранних видов, создавая при этом новые путем добавления следующих уровней к прежним программам развития, служила опорой взглядов Эдингера – была отброшена доказательствами, полученными в эмбриологических исследованиях двадцатого века[10]. Современная эволюционная биология развития понимает, что разница между взрослыми особями животных видов проистекает из эволюционных изменений их собственных программ развития, то есть филогенез осуществляется в результате изменений в онтогенезе, в результате процесса, противоположного по направленности процессу, постулированному Геккелем. Когда изменяется программа развития, возникает новая жизненная форма, ничуть не более или менее «передовая», она просто другая.

Тем не менее, создав «эволюционную» версию лестницы природы, Эдингер заложил основу номенклатуры, которая в течение целого столетия использовалась для определения и описания отделов мозга всех позвоночных животных, а усилиями МакЛина его популярная триединая модель головного мозга продолжает до сегодняшнего дня влиять на концепции развития головного мозга. Что еще более важно, Эдингер основал школу мышления, согласно которому эволюция мозга является синонимом прогресса, и оно, это мышление, стало фоном одного из самых распространенных убеждений – относительно того, что дает человеку когнитивное преимущество перед остальными животными: идея о том, что человеческий мозг – или мозговая кора, или префронтальная кора, или количество времени, которое потребовалось для возникновения зрелой формы человеческого мозга, или количество энергии, потребляемое мозгом, – больше, чем он должен быть.

Человеческий мозг, который больше, чем он должен быть

Чем больше животное – будь то позвоночное или беспозвоночное, – тем большим мозгом оно обладает. Это соотношение было осознано и сформулировано очень давно – в 1762 году, когда швейцарский натуралист Альбрехт фон Галлер предложил правило, названное затем «правилом Галлера»: более крупные животные обладают более крупным мозгом, но чем больше мозг, тем меньше его масса относительно массы тела[11] (рис. 1.5).



Рис. 1.5. Более крупные животные, как правило, обладают и более крупным головным мозгом: мозг крысы (масса 2 г) намного меньше мозга капибары (масса 75 г), который меньше мозга гориллы (масса около 500 г), а мозг гориллы намного меньше головного мозга слона (масса около 4000–5000 г). Однако относительный размер мозга, то есть доля от массы тела животного, меньше у крупных животных, что становится наглядным, если изменить масштаб изображения, сделав всех животных одной величины (нижний ряд)



Относительно более малый мозг более крупных животных – это пример аллометрического роста или просто «аллометрии» в противоположность изометрическому росту, который бы имел место в случае, если бы у более крупных животных был пропорционально больший мозг при неизменном отношении массы мозга к массе тела. Интерес к аллометрии, учению о том, как изменяются форма тела и пропорции его частей в зависимости от размеров тела животного, можно духовно проследить до Галилео Галилея, то есть до семнадцатого века. Галилей понял, что тела более крупных животных (и их кости в особенности) не могут быть пропорционально (изометрически) увеличенными версиями тел более мелких животных, так как в этом случае они бы просто рухнули под своей тяжестью. Мы интуитивно понимаем это, глядя на слонов Сальвадора Дали с их ножками-спичками.

Однако сам термин «аллометрия» был введен в науку немецким врачом Отто Снеллем[12], а позже принят на вооружение Джулианом Хаксли, британским биологом, который дал математическое описание зависимости между размерами тела и его формой, которая была великолепно проиллюстрирована чудесными рисунками Д’Арси Уэнтуорта Томпсона в вышедшей в 1917 году книге «О росте и форме». Согласно наблюдениям Хаксли, аллометрические соотношения принимают форму степенной функции, когда один параметр изменяется пропорционально второму параметру, возведенному в определенную степень, а не умноженному на некоторую константу, как это имеет место при линейной зависимости (рис. 1.6). То, что масса частей тела всегда соотносится с массой тела по степенному закону в форме Y = bXa, сегодня понимают все: только степенная функция определяет масштабно-инвариантное отношение между X (например, массой тела) и Y (массой части тела, например головного мозга). В случае млекопитающих масштабный инвариант описывает, как тела млекопитающих варьируют по массе в пределах восьми порядков величин (то есть при разнице до 100 миллионов раз) при сохранении общего плана строения.

На практике это означает, что млекопитающее животное всегда можно идентифицировать независимо от его размера. Этот факт подразумевает, что должны быть общие количественные биологические правила, или законы масштабных инвариантов, выражающие соотношения различных частей тела, которые остаются верными в широком диапазоне размеров головного мозга, – приложение же этих законов в природе, находящее отражение в строении тела животных, подтверждается аллометрическими соотношениями, описанными Хаксли.



Рис. 1.6. Линейная функция, представленная в виде графика на линейной шкале (слева), степенная функция (где аллометрический показатель степени а > 1), представленная в виде графика на линейной шкале (в центре), и отношение между логарифмами величин, представленное графиком на линейной шкале (справа). Логарифмическое преобразование превращает степенную зависимость в линейную, что сильно облегчало вычисления до появления цифровых компьютеров. В аллометрических функциях X – это масса тела, а Y, как правило, масса, объем или площадь поверхности части тела



Аллометрия какой-либо части тела, например головного мозга, объясняет, как изменяется эта часть (варьирует в размерах в отношении площади поверхности, массы или объема) по мере изменения массы всего тела, и может быть описана аллометрическим показателем степени в отношении к массе тела. Как следует из рис. 1.7, аллометрический показатель степени 1,0 превращает степенную зависимость в линейную функцию, а следовательно, означает, что данная часть тела изменяется изометрически (то есть прямо пропорционально) в отношении изменения массы всего тела, как это имеет место с объемом циркулирующей крови, который всегда составляет фиксированную долю от объема всего тела. Показатель степени, больший единицы, говорит, что часть тела растет быстрее, чем все тело; это касается костей, как было предсказано Галилеем. Аллометрические показатели, меньшие единицы, свидетельствуют, что данная часть тела растет вместе с телом, но медленнее, и относительная доля массы части тела в сравнении с общей массой тела уменьшается по мере увеличения массы животного. Так происходит в случае головного мозга.



Рис. 1.7. Степенные зависимости, представленные непосредственно в линейном масштабе (слева), и изображенные в логарифмической форме величины X и Y в линейной системе координат (справа), зависящие от величины аллометрического показателя степени а. Если a > 1, то Y растет быстрее, чем X (масса тела), как в случае массы костей; если а = 1, то Y растет прямо пропорционально X, как в случае объема циркулирующей крови; если же 0 < a < 1, то Y растет вместе с X, но медленнее, как в случае головного мозга



Открытие в 1937 году американским невропатологом Герхардтом фон Бонином того факта, что соотношение между массой тела и массой головного мозга у многих биологических видов может быть описано степенной зависимостью с данным аллометрическим показателем степени, позволило создать новую концепцию – концепцию увеличения головного мозга относительно ожидаемого размера тела данной массы. Основанием для этого стало то, что существование аллометрического соотношения для массы головного мозга, определяемого степенной зависимостью, описывающей, насколько велик головной мозг млекопитающего определенной массы, позволяет предсказать размер мозга, которым должно обладать какое-либо млекопитающее животное при данной массе своего тела. Это предсказание можно затем сравнить с действительной массой мозга каждого из видов (рис. 1.8).



Рис. 1.8. Представленный график изображает аллометрическую функцию массы головного мозга = bx (масса тела)[13], рассчитанной для данных, указанных точками в координатной плоскости, где каждая точка обозначает какой-либо биологический вид. Линия указывает предсказанную массу головного мозга при данной массе тела животного; знание массы тела позволяет предсказать, просто применив формулу, насколько большим должен быть головной мозг данного животного. Иногда, однако, какой-либо вид (сплошной кружок) обладает намного меньшим мозгом, а другой (черный квадрат) – намного большим, чем ему «положено», мозгом. Конечно, вопрос о том, обладает ли животное какого-либо вида большим или меньшим мозгом, чем следует из формулы, – это совсем другая история



Такие сравнения между тем, какой должна быть масса головного мозга у какого-либо животного и какой она была на самом деле, были проведены в 1969 году Гейнцем Штефаном и Орландо Энди, работавшими в бывшем институте Людвига Эдингера в немецком Франкфурте. Штефан и Энди полагали (ошибочно, но это выяснилось лишь сорок лет спустя), что приматы и большая часть (если не все 100 %) млекопитающих ведут свое происхождение от таких насекомоядных животных, как кроты и землеройки – ныне живущие существа, которых авторы, по традиции тогдашней науки, считали – благодаря их малым размерам – похожими на предковые формы млекопитающих, населявших некогда нашу планету. В добрых эдингеровских традициях, Штефан и Энди рассчитали то, что они назвали «индексами прогрессии», – меру того, насколько сильно современные виды отдалились от «примитивного» состояния предкового мозга, который предположительно был похож на мозг современных насекомоядных животных. Сначала ученые рассчитали объем головного мозга, которого следовало ожидать у «примитивного» животного, исходя из аллометрического соотношения между объемом мозга (или объемом тех или иных структур мозга) и массой тела, характерной для исходных насекомоядных видов, то есть животных, наиболее близких к предкам млекопитающих. Далее они вычислили индексы прогрессии: «во сколько раз больше некая мозговая структура определенного вида в сравнении с тем, какой она должна быть у исходного насекомоядного схожей массы тела»[14]. Чем больше была мозговая структура в сравнении с тем, какой она должна быть у исходного насекомоядного, тем более «прогрессивным» является данное животное.

Как мог бы предсказать и сам Эдингер, Штефан и Энди выяснили, что у приматов в наибольшей степени прогрессировала новая кора мозга; по мере восхождения приматов по эволюционной лестнице регрессировала только одна структура – обонятельная луковица; она оказалась меньше предсказанной для тела такой массы, и масса обонятельной луковицы осталась на примитивном уровне. Прогрессия оказалась выше, а на самом деле просто высочайшей, в новой коре мозга человека; показатели для нее в наибольшей степени отклонялись от предсказанной величины. Естественно, на этом основании Штефан и Энди дисциплинированно заключили, что размер неокортекса «представляет собой наилучший из ныне доступных критериев развития головного мозга, пригодных для классификации данного вида на шкале смены эволюционных стадий». Данные этих ученых, казалось, подтвердили правоту Эдингера: «прогрессивная эволюция» действительно заключается в увеличении неокортекса в сравнении с другими мозговыми структурами, и это увеличение «достигает кульминации у млекопитающих, особенно у приматов»[15], а максимума достигает у человека. Вывод был однозначным: люди обладают очень большим неокортексом в сравнении с размером, который должен быть у «примитивных» млекопитающих.

Коэффициент энцефализации

Концепция «индекса прогрессии» тем не менее вошла в историю науки, правда, под другим именем: под названием «коэффициента энцефализации» эта концепция появилась в вышедшей в 1973 году весьма конструктивной книге американского палеонтолога Гарри Джерисона «Эволюция головного мозга и интеллекта».

Джерисон заинтересовался аллометрией в том виде, в каком она была описана Хаксли в его книге «Проблемы относительного роста»[16], и приложил эту концепцию к вопросу о том, как меняется объем головного мозга по мере увеличения массы тела. Джерисон опирался на опубликованную в 1897 году работу голландского палеоантрополога Эжена Дюбуа (открыватель Homo erectus) об «индексах цефализации», отношениях между массами головного мозга и тела, которые были, в свою очередь, предложены Отто Снеллем в 1891 году на основании анализа отношения масс мозга и тела у разных видов млекопитающих. В то время, когда Штефан и Энди вычисляли аллометрические отношения для первых насекомоядных и распространяли данные на мозг приматов, Джерисон вместо этого стал рассчитывать аллометрические отношения для массы мозга и тела для того, чтобы предсказывать размер мозга в широком спектре млекопитающих из смешанной выборки[17].

Предсказанную массу головного мозга можно было после этого сравнить с действительной массой мозга каждого вида, как это показано на рис. 1.8. По мнению Джерисона, растущие тела требовали одновременно и увеличения массы мозга, который должен быть способен обрабатывать всю сенсорную информацию и контролировать движения тела большой массы. Следовательно, если масса головного мозга какого-либо вида больше, чем ожидалось для имеющей место массы тела (учитывая соотношение, приложимое к другим видам), то данный вид имеет избыточную массу головного мозга, свыше того, что строго необходимо для управления телом. Пользуясь термином Джерисона, можно сказать, что этот вид «энцефализован», то есть обладает большим интеллектом.

Разделив действительную массу головного мозга большинства различных видов млекопитающих на предсказанную массу мозга для тех же видов, Джерисон получил безразмерную величину для каждого вида – коэффициент энцефализации, который показывал, насколько мозг особей данного вида больше по отношению к своей «должной» величине. По Джерисону, коэффициент должен был служить индикатором интеллекта в ходе человеческой эволюции (он рассчитывал коэффициент энцефализации вымерших предков человека по объемам полостей ископаемых черепов), а также таковым индикатором для приматов и других животных. Согласно расчетам Джерисона, коэффициент энцефализации современного человека равен 7,5, что означает, что объем человеческого мозга приблизительно в семь с половиной раз больше объема головного мозга, необходимого млекопитающему с нашей массой тела согласно выполненным расчетам[18]. На втором месте, с большим интервалом, находятся разнообразные приматы с жалким коэффициентом энцефализации, равным в среднем двум. Человеческая эволюция, предположил Джерисон вслед за Эдингером с его концепцией прогрессивной эволюции, заключалась в повышении коэффициента энцефализации, достигшего кульминации у человека. Вопрос был исчерпан. То, что делало нас людьми, что отличало человеческий мозг от мозга других видов и объясняло наши замечательные и непревзойденные когнитивные способности, пусть даже наш мозг не был самым большим на планете (у слонов и некоторых китов мозг больше), заключалось в том факте, что наш мозг значительно больше того мозга, которым мы должны были бы располагать, судя по массе нашего тела. Мы были исключением из правила, согласно которому у крупных животных мозг больше. Мы, на самом деле, оказались особенными.

Проблема энцефализации

В течение следующих десятилетий коэффициент энцефализации стал общепринятым стандартом для сравнения видов при том допущении, что он служил лучшим средством оценки когнитивных способностей, нежели абсолютный размер мозга[19]. Ретроспективно, однако, можно сказать, что со временем накапливались данные, заставлявшие критически отнестись к этому простому объяснению: «больше, чем должен быть». Понятно и не требует пояснений, что любой «избыток массы мозга» должен быть доступен для функций, отличных от базовых потребностей организма: для мышления, распознавания образов, планирования будущего. Но аллометрические соотношения вычисляются по приложению уравнения к точечным данным, и при этом одни точки оказываются выше, а другие ниже кривой, как это показано на рис. 1.8. Следовательно, если существуют виды энцефализованные (те, данные которых оказываются выше кривой, то есть с мозгом, большим ожидаемого объема), то чисто математически необходимо, чтобы существовали виды, данные которых находятся ниже кривой, то есть виды недостаточно энцефализованные, у которых масса мозга меньше, чем должна быть для успешного управления функциями организма, – это весьма маловероятное предположение, так как такие виды есть и они очень хорошо себя чувствуют.

Еще более проблематичным оказалось то, что универсальное допущение, будто коэффициент энцефализации выражает меру интеллекта или любое количественное подтверждение когнитивных способностей (поскольку коэффициент наибольший у человека, постольку он должен иметь непосредственное отношение к интеллекту), не выдерживает практической проверки при опытном измерении когнитивных способностей. Более того, отсутствовала прямая корреляция между коэффициентом энцефализации и умственными способностями. Вторыми за человеком по величине коэффициента энцефализации следуют маленькие обезьянки – капуцины, у которых коэффициент энцефализации равен двум, и следовало бы ожидать, что своими умственными способностями эти обезьянки превосходят высших человекообразных обезьян[20], ничтожный коэффициент энцефализации которых (меньше единицы) теоретически должен поставить их в один ряд с существами, у которых мозга не должно хватать на базовые функции организма. Тем не менее высшие обезьяны – и это неоспоримый факт – отличаются намного более сложным и гибким поведением, чем капуцины и другие мелкие и более энцефализованные обезьяны, например мармозетки[21]. Коэффициент энцефализации Джерисона хорошо работал в отношении человека, поставив его вне других видов, но пришлось разбираться с путаницей, которую этот коэффициент породил среди других видов животных.

Помимо этого, концепция энцефализации предполагала, что все мозги устроены практически одинаково: определенное количество мозговой ткани содержит одинаковое число нейронов у разных видов животных. Но «избыточная масса мозга» при коэффициенте, скажем, равном двум, выражается большей абсолютной массой мозга, а следовательно, большим числом «избыточных нейронов» в большом мозге, нежели в малом. На практике это означало, что одинаковые показатели коэффициента энцефализации приводят к лучшим когнитивным способностям крупного мозга по сравнению с мелким мозгом. Однако выяснить это было бы тяжело, потому что, во-первых, трудно сравнивать когнитивные способности видов, отличных от человека, а во-вторых, потому что никто в то время не знал, сколько нейронов содержится в мозгах разных биологических видов. Но имело ли все это какое-нибудь значение? Критиковать энцефализацию было чем-то сродни мелочному спору; если человеческий вид энцефализован в наибольшей степени, то разве этого недостаточно?

Коэффициент энцефализации оставался самым используемым параметром сравнения видов в течение трех десятилетий, в надежде, что он и в самом деле отражает что-то вроде интеллекта. Это был единственный количественный показатель, который, в противоположность абсолютному или относительному размеру мозга, позволял выделить человека на фоне всех других видов[22]. Этим коэффициентом активно пользовался американский биолог Лори Марино, страстный защитник признания права китообразных на личность, обнаруживший, что коэффициент энцефализации у дельфинов равен 3, что меньше, чем у человека, но значительно больше, чем у всех остальных видов приматов[23].

Но затем, в первом десятилетии двадцать первого века, значение коэффициента энцефализации стали оспаривать в научной литературе[24], при этом начали выполняться давно назревшие работы по систематическому сравнению общих когнитивных способностей животных-приматов[25], а также исследования специфических способностей к самоконтролю у млекопитающих и птиц[26]. Не вызвал никакого удивления тот, выявленный в ходе сравнения факт, что простой абсолютный размер мозга гораздо лучше коррелировал с когнитивными способностями, чем коэффициент энцефализации. Все вернулось на круги своя. Если человеческий мозг не самый большой, то каким образом он является самым способным мозгом среди всех млекопитающих?

Мозг человека особенный – и во многих отношениях

Не стоит заострять внимание на том, что коэффициент энцефализации оказался не самым лучшим коррелятом когнитивных способностей среди животных, не принадлежащих виду Homosapiens. Для многих специалистов и для большинства неспециалистов запись «самый большой мозг для своего тела» остается в верхней строке списка «признаков, делающих человеческий мозг особенным». В конце концов, если более крупные животные обладают более крупным мозгом, а гориллы почти в три раза больше нас по размерам тела, то, значит, их мозг должен быть в три раза больше нашего, но почему-то это наш мозг в три раза больше, чем у гориллы. Джерисон привнес в этот вопрос ясность: человеческий мозг чрезвычайно большой для тела, в котором он находится.

Этого мало? Примем в расчет энергию, которую потребляет человеческий мозг, – около 500 килокалорий в сутки. Это почти 25 % той энергии, которую потребляет весь наш организм, – это совершенно непропорциональный расход, если учесть, что мозг по массе составляет всего 2 % от массы человеческого тела. Для сравнения: мозг мыши (который по массе составляет всего 1 % массы тела) стоит мыши всего 8 % всей потребляемой энергии[27]. Человеческий мозг очень дорог.

Список отличительных черт человеческого мозга продолжает расти по мере того, как все больше и больше ученых в разных областях науки присоединяются к поиску того, что лежит в основе наших замечательных умственных способностей. «Нейроны фон Экономо» были сначала обнаружены в передней поясной коре человеческого мозга, в области, осуществляющей когнитивный и эмоциональный контроль поведения; кроме того, эти нейроны были найдены у высших обезьян, но они отсутствуют у остальных приматов и других млекопитающих[28]. «Нейроны фон Экономо» были очень скоро объявлены главным отличительным признаком человеческого мозга; их даже – правда, осторожно – связали с сознанием[29]. Но, когда были проведены более обширные исследования, выяснилось, что эти нейроны есть и у других приматов[30], и, на самом деле, они есть у животных с мозгом большим и меньшим, чем у человека[31].

Особенности человеческого мозга не ограничиваются его нейронами. В 2009 году Нэнси Энн Обергейм и ее коллеги обнаружили, что человеческие астроциты, глиальные клетки, играющие важную роль в синаптической передаче информации между нейронами, намного крупнее астроцитов других приматов и грызунов, а это означает, что наши астроциты должны поддерживать функцию большего числа синапсов, чем астроциты других видов животных[32]. Возможно, что вся причина отличий кроется просто в размере мозга; Обергейм и ее коллеги не исследовали мозги более крупные, чем у человека, и, возможно, окажется, что астроциты слона еще больше наших. Тем не менее человеческие астроциты, похоже, «лучше», чем астроциты грызунов; когда клетки-предшественники человеческих астроцитов пересаживали в развивающийся мозг мышей, они (клетки) развивались в человеческие, крупные, астроциты, и такие мыши демонстрировали высокую способность к быстрому обучению[33].

На более высоком уровне организации, где нейроны объединяются в сети, человеческий мозг тоже отличается от мозга вторых по успешности участников гонки, с которыми часто сравнивают мозг человека, – от мозга шимпанзе. Например, «нейропиль», фракция мозговой коры, объединенная синаптическими связями, у человека больше, чем у шимпанзе[34], хотя, быть может, это обусловлено всего лишь большими размерами человеческого мозга, и дело здесь вовсе не в нашей особенности. Некоторые ученые сообщают о специфических для человека участках головного мозга и сетях, которые отсутствуют в мозге низших обезьян[35], хотя другие исследователи с этим не соглашаются[36]. С другой стороны, мозг таких далеко отстоящих друг от друга видов, как люди, обезьяны, кошки и даже голуби, организован очень сходно в виде локальных сетей с похожими узлами, где осуществляется сбор и распределение поступающих сигналов, – такими узлами являются, например, префронтальная кора и гиппокамп[37].

Совсем недавно основное внимание ученых было обращено на наш генетический набор, и эти исследования породили длинный и продолжающий расти список генов, специфичных для человека, то есть генов, которых нет у нашего ближайшего родственника шимпанзе. Ученые надеются, что в этих генах скрывается секрет нашей уникальности. В список входят гены, контролирующие размер головного мозга[38], образование синапсов[39], развитие речи[40], клеточный метаболизм[41], а также такие человеческие морфологические признаки, как форма кисти и положение большого пальца[42].

Однако в 2003 году, когда я заинтересовалась разнообразием строения головного мозга и его эволюцией и, в частности, сравнением человеческого мозга с мозгом других видов, я поняла, что, несмотря на огромное число сложных данных о генах, функциональных областях и индивидуальных типах клеток, мы все же не понимаем главного: из чего состоит мозг – сколько в нем нейронов, как много глиальных клеток в каждой мозговой структуре. Мы не имели представления о том, каково число нейронов, обрабатывающих информацию, в единице объема человеческого мозга, в сравнении с мозгом других видов. Если оставить в стороне генетические и клеточные частности, то, может быть, наши непревзойденные, замечательные когнитивные особенности определяются замечательным числом нейронов?

2. Мозговой суп

Таким было положение вещей, когда я заинтересовалась, из чего состоит головной мозг и чем замечателен человеческий мозг в сравнении с другими: оказалось, что никто не занимался такими сравнениями. Дело в том, что при таком впечатляющем списке необычностей мы, конечно, были особенными.

Меня, молодого биолога, такая ситуация сильно удручала. Удручало то, что многие мои коллеги-неврологи принимали утверждение о человеческой уникальности без рассуждений, не пытаясь даже его как-то обосновать. Со времен Дарвина мы стремимся понять правила, приложимые ко всем живым существам, понять ограничения, которым подвержена любая живая материя. Мы осознали, что за фасадом разнообразия всех млекопитающих стоит основной, наследуемый набор генов, который это многообразие ограничивает: яблоко не может упасть далеко от яблони. Но если эти эволюционные ограничения накладываются и на людей, то как смог человеческий мозг, он один, быть одновременно таким же объектом эволюционных законов, как и мозг других видов, но и совершенно другим, обладающим способностями оценивать материал, из которого мы состоим, и искать, и находить метафизические истоки нашего существования, в то время как другие животные, в буквальном смысле слова, живут накрепко привязанные к земле?

К первому десятилетию двадцать первого века необычные признаки, такие как относительный размер, величина потребления энергии и генетический набор, определяющий развитие головного мозга, казались необходимыми для объяснения наших удивительных когнитивных способностей, потому что те скудные данные, что были получены в предыдущем столетии относительно сравнения человеческого мозга с мозгом других животных, снова и снова подтверждали, что в мозге человека нет ничего особенного. По техническим причинам сравнение ткани мозга разных биологических видов в течение десятилетий ограничивалось оценкой плотности нейронов на срезах мозговой ткани, то есть оценивали число видимых под микроскопом нейронов на срезе определенной площади. Немногочисленные ученые, и среди них Дональд Тауэр и Герберт Хауг, исследовали плотность нейронов в коре головного мозга самых разнообразных видов млекопитающих и не обнаружили в мозге человека ничего такого, что принципиально отличало бы его от других млекопитающих. С точки зрения анатомии это означало, что вещество нашего мозга по своему строению не слишком сильно отличается от строения мозга других животных. Если это так, то наше превосходство может объясняться чем-то другим, выходящим за рамки обычного, как, например, относительным избытком массы мозговой ткани по отношению к массе тела или относительно большим потреблением энергии, как если бы мозг был высокоскоростным компьютером.

Возможно, однако, причина того, что человеческий мозг кажется таким обыкновенным, заключается в том, что людей просто сравнивали не с теми видами, как, например, сравнивали бы яблоки с апельсинами. В своей первой работе Дональд Тауэр[43], а позднее Герберт Хауг[44] позволили себе вольность сравнивать мышей, кроликов, кошек, коров, китов, обезьян и людей друг с другом, не считаясь с возможностью того, что если существуют очевидные различия между грызунами, хищниками, парнокопытными, китообразными и приматами, то, вероятно, между ними могут наблюдаться по меньшей мере некоторые внутренние отличия, которые, возможно, распространяются и на их мозг. Гарри Джерисон поступил так же, как упомянутые авторы. Такие сравнения находились в полном согласии с основополагающим допущением о том, что мозг всех млекопитающих устроен в принципе одинаково, что находит свое выражение в общем соотношении между размером мозга и числом нейронов, – и по этому признаку мозг человека не отличается от мозга других млекопитающих. Хотя об этом никогда не говорили прямо, в двадцатом веке, что следует из обычной практики неразборчивого сравнения мозгов самых разнообразных видов, господствовала надежда на то, что мозг всех млекопитающих – крупных и мелких – был увеличенным или уменьшенным вариантом одного и того же основного плана строения.

Но что если это не соответствует действительности?

Действительно ли все мозги устроены одинаково?

Давайте на время забудем об энцефализации, расточительном потреблении энергии и, отступив, снова попробуем разобраться в фундаментальных вещах. Немного критического мышления достаточно для того, чтобы понять, что все мозги не могут быть устроены одинаково и характеризоваться одинаковым и универсальным отношением между размерами мозга и числом нейронов. Естественно, каждый мозг состоит из нейронов, мельчайших счетных единиц, обрабатывающих информацию и передающих ее в крупные обширные сети, которые нейроны образуют в головном мозге. Информация попадает в нейроны через синапсы, причем на каждый нейрон приходится от 10 до 100 тысяч синапсов. Информация, проходящая через все эти синапсы, сходится на теле нейрона, который затем обрабатывает ее и передает результат следующему нейрону. Несмотря на то что обладание многими синапсами увеличивает гибкость в обработке информации и повышает ее возможную сложность, разумно предположить, что в конечном итоге счетная способность мозга данного биологического вида в гораздо большей степени лимитирована числом нейронов, нежели числом их синапсов[45].

Если бы у всех млекопитающих мозг был устроен одинаково, то два мозга одинаковой величины содержали бы одинаковое число нейронов, одинаковым образом распределенных по структурам мозга. И если числа нейронов ограничивают когнитивные способности, то коровы и шимпанзе, обладающие мозгом массой около 400 г, должны, по этой идее, обладать сходными умственными способностями. Однако очень трудно изобрести способ сравнения когнитивных способностей животных разных видов. Когнитивные тесты должны быть экологически значимыми для испытуемого вида: надо учитывать не только частные интересы вида, но и анатомическое строение тела (имеет ли животное копыта, когти, пальцы или крылья), а потом перевести полученные данные на стандартный язык для возможности сравнения[46]. К слову сказать, мы достаточно хорошо знаем оба этих вида и можем заподозрить, что шимпанзе отличаются от коровы намного более богатым, гибким и сложным поведенческим репертуаром. Если, конечно, коровы не живут очень насыщенной внутренней жизнью и настолько умны, что не позволяют нам видеть, как они предаются глубоким размышлениям, когда пасутся на лугах. Это весьма маловероятно, учитывая, что коровы, предназначенные на убой, мирно пасутся, а шимпанзе, живущие в неволе, изобретают массу трюков, чтобы одурачить служителей зоопарков. Отсюда ясно, что два мозга сравнимого размера отнюдь не обязательно обладают сходными когнитивными способностями.

Но давайте продолжим, потому что дальше все становится еще хуже. Если бы мозги всех млекопитающих были устроены одинаково, отличаясь только размерами общего, универсального плана, то тогда мозги большего размера должны обладать большим числом нейронов, чем маленькие мозги, а поскольку нейроны являются элементарными счетными единицами мозга, постольку более крупный мозг, по одной этой причине, должен обладать большими когнитивными способностями. Но выясняется самая досадная из всех проблем, имеющих отношение к размеру мозга: человеческий мозг не является самым большим. Более того, он далеко не дотягивает до звания чемпиона по размеру и массе мозга, и поэтому вычисление коэффициента энцефализации было встречено с таким энтузиазмом: этот показатель, как казалось, помогал разрешить этот парадокс. По меньшей мере у тринадцати видов мозг такой же, как у нас, или весит больше наших полутора килограммов, а самый большой мозг, массой 9 кг, обнаружен у кашалота, таким образом, он в шесть раз больше нашего. Однако превосходят нас не только китообразные: мозг африканского слона весит около 5 кг, то есть более чем в три раза больше, чем наш.





Эти нестыковки указывают на то, что не все мозги устроены одинаково, не являются объектами одного масштаба, – именно это заставило меня заподозрить, что мы не знаем, как именно устроены мозги животных разных биологических видов. Несмотря на то что в литературе описано множество исследований, касающихся объема и площади поверхности мозга различных видов[47], а также есть масса статей, посвященных плотности нейронов в мозговой коре[48], данные о числе нейронов в мозге весьма скудны. В частности, я не смогла найти оригинальный источник, подтверждающий часто повторяемое число «100 миллиардов нейронов человеческого мозга». В лучшем случае это можно считать лишь приблизительной оценкой порядка величины. В 1988 году Роберт Уильямс и Карл Херруп оценили число нейронов человеческого мозга величиной «около 85 миллиардов нейронов», основываясь на подсчетах, сделанных для коры головного мозга и мозжечка, но этих авторов постоянно неверно цитируют, утверждая по-прежнему, что число нейронов в человеческом мозге составляет круглую величину в 100 миллиардов клеток. В 2003 году я консультировалась с несколькими уважаемыми неврологами, большинство которых верует в 100 миллиардов, но ни один из них не смог указать мне оригинальный источник этого числа. Позже я встретилась с самим Эриком Кэнделом, в чьем классическом учебнике «Принципы неврологии»[49] приведена та же цифра с добавлением: «…и в 10–50 раз больше глиальных клеток». Когда я спросила Эрика, откуда он взял эти данные, он сослался на своего соавтора Тома Джессела, писавшего главу, в которой они приведены, но я так и не смогла поговорить с самим Джесселом. Очевидно, была выполнена частичная аппроксимация, которую приняли за допустимый порядок величины, и стали оперировать ею, как реальным числом. Шел уже 2004 год, но никто точно не знал, сколько на самом деле нейронов содержится в человеческом мозге.

Теперь думается, что десятикратное численное превосходство глиальных клеток является еще большим мифом, чем представление о 100 миллиардах нейронов. Согласно мифу, если в мозге в целом действительно содержится 100 миллиардов нейронов, то в нем должен быть и один триллион глиальных клеток. К 2004 году было уже известно, что на каждый нейрон серого вещества церебральной коры человека приходится менее двух глиальных клеток, а в мозжечке этот показатель еще ниже – 0,1 клетки[50]. Это означало, что один триллион глиальных клеток должен располагаться в полосатом теле, промежуточном мозге и стволе головного мозга, то есть в структурах, которые все вместе весят меньше 200 г. Если бы это было так, то на 1 мг мозговой ткани должно приходиться около пяти миллионов глиальных клеток, но, по всем данным, полученным к 2004 году, плотность глиальных клеток ни в одном отделе мозга не превышала 100 тысяч на 1 мг мозговой ткани. Популярная оценка в 100 миллиардов нейронов и в десять раз большего числа глиальных клеток человеческого мозга, как мне кажется, стала результатом игры ученых в испорченный телефон, когда ранняя приблизительная оценка числа нейронов и отношения глия/нейроны вышла из-под контроля, и удобное круглое число прочно завладело воображением неврологов, нейрофизиологов и широкой публики.

Одной из причин отсутствия фактических и достоверных оценок числа клеток является то, что единственным относительно надежным способом подсчета клеток в то время был стереологический метод с использованием, например, «оптического фракционатора». Этот метод в то время считался самым надежным. Оптический фракционатор состоит из введенных в тонкий срез ткани виртуальных трехмерных зондов, которые выделяют известную малую долю всего объема ткани; потом подсчитывают число клеток в пробе, а затем экстраполируют результат и получают общее число клеток во всем объеме ткани. Этот метод очень хорош для тканей с относительно равномерным распределением клеток или, по крайней мере, с небольшими вариациями плотности в разных участках пробы. В высшей степени гетерогенное распределение нейронов в разных структурах головного мозга, однако, делает стереологические методы малопригодными для этой цели – для определения числа клеток в целом мозге. Плотность нейронов может варьировать, различаясь в тысячу раз в области ствола и в мозжечке. Даже внутри одной и той же структуры, например в мозжечке, в различных слоях нейроны упакованы с разной плотностью. Для того чтобы в такой ситуации пользоваться стереологическими методами, необходимо разделить мозг на сотни структур сравнимой плотности, а затем взять из них очень большое число проб. Это было бы непомерно дорого даже для крупной лаборатории. Мне же было еще труднее, потому что у меня не было ни лаборатории, ни денег.

Как считать клетки, не имея лаборатории?

Когда я впервые занялась подсчетом клеток, я не была нейроанатомом и стереология была очень далека от сферы моих интересов. В 2003 году у меня не было лаборатории, не говоря уже о деньгах. Тогда я всего год работала в Федеральном университете Рио-де-Жанейро в должности ассистента профессора научной информации. Приблизительно такой же работой я занималась предыдущие три года в Музее науки в Рио, после весьма многообещающего начала научной карьеры. Бакалавриат я заканчивала по специальности «вирусология» в Федеральном университете в Рио, затем поработала в генетической лаборатории в Кливлендском университете, после чего подруга увлекла меня нейробиологией, и я занялась вопросами развития нервной системы, что продолжалось два года в лаборатории Кливлендского университета, где я прошла магистратуру. Потом я уехала в Германию, где получила степень доктора философии по нейрофизиологии зрения, работая в лаборатории Вольфа Зингера в Институте исследования мозга имени Макса Планка во Франкфурте. Решив не заниматься дальше осцилляторными ответами нейронов, я уехала в Рио, к своему тогдашнему мужу, где устроилась на должность приглашенного ученого в Музей Жизни. Мой муж в то время, после защиты докторской диссертации, работал в университете в лаборатории Роберто Лента. В течение трех лет после возвращения в Рио я руководила практическими занятиями детей, приходивших в музей, создала сайт и написала мою первую книгу по нейробиологии для широкого круга читателей, в результате чего меня пригласили на работу в альма-матер. Первым моим заданием стало руководство молодыми учеными на ниве научных коммуникаций, но в отделе кадров мне намекнули, что я, если пожелаю, смогу заниматься и научной деятельностью.

Я сразу же ухватилась за это предложение. Мое любопытство подстегивалось литературными изысканиями по теме, которая захватила меня во время работы в музее. Я подумала, что лучшим способом приступить к работе будет непосредственное знакомство с посетителями и выяснение вопроса о том, что они знают о мозге. Сказано – сделано: в 1999 году я провела среди 2000 респондентов опрос на тему: «Знаете ли вы свой мозг?»[51]. Это был отпечатанный вопросник из 95 коротких утверждений типа: «Сознание невозможно без мозга», «Наркотики вызывают зависимость, потому что действуют на мозг» и «Разум – продукт духа, а не мозга», на которые были даны по три ответа: «Да», «Нет», «Не знаю». Одно из утверждений выглядело так: «Мы используем только 10 % своего мозга» – на него 60 % уроженцев Рио ответили «да». Я была удивлена: я знала, что эту броскую фразу часто использовали в научно-популярных журналах и даже в публицистике, но не догадывалась, что она настолько захватила воображение публики, особенно при том, что это миф. Мы все время, каждую секунду используем все 100 % нашего мозга, учась, развиваясь, достигая великих целей и даже во сне. Просто в разные моменты времени мы используем его по-разному.

Но что если только 10 % – или даже меньше – клеток мозга – это нейроны? В «Принципах нейробиологии» было сказано следующее: мы располагаем 100 миллиардами нейронов и в 10–50 раз большим числом глиальных клеток, и это стало таким общепринятым «фактом», что нейробиологам было вольно начинать свои обзорные статьи с упоминания этого факта, но без всяких ссылок на источники. Это мнение стало эквивалентным утверждению, что гены состоят из ДНК, – это превратилось в избитую, известную всем «истину». Но если у нас в десять раз больше глиальных клеток, чем нейронов, то нейронов у нас приблизительно 10 % от всех клеток мозга, и если нейроны – это те клетки, которые нужны для осуществления когнитивных функций (от этого высказывания у специалистов по глии округлились бы глаза), то на самом деле можно говорить о том, что мы используем только 10 % всех клеток головного мозга.

Но что если это все-таки неправда?

Я перелистывала литературу в поисках оригинальных исследований о том, сколько клеток содержится в мозге, и чем больше я читала, тем лучше понимала, что того, что я ищу, попросту не существует. При великом множестве идей на эту тему и даже при кажущемся всеобщем согласии мы в действительности не понимали того, насколько много клеток в мозге, и еще меньше понимали, как следует сравнивать человеческий мозг с мозгом животных других видов.

Стереология не дала ответа на этот вопрос и, скорее всего, не даст, и к тому же я не имела возможности ею заняться. Но что если ею и не надо заниматься? Среди прочитанного мной я наткнулась на сделанные в семидесятые годы попытки определить количество клеток в мозге путем экстракции ДНК из ткани мозга, определения ее количества и деления полученного результата на среднее содержание ДНК в клеточных ядрах. Действительно, таким образом можно было оценить число клеток в мозге[52]. Да, это должно было сработать, но единственное, о чем я могла думать, – это о том, как мои преподаватели и наставники, выделяя ядра из клеточных культур, говорили: «Нет, не надо мерить количество ДНК, надо считать ядра!» У меня тем не менее появилась идея. Я решила превратить мозг в суп.

Ответ плавает в супе

Чтобы преодолеть главное препятствие при подсчете клеток мозга – гетерогенность их распределения в ткани, я буквально растворила эту гетерогенность в детергенте. Я решила, что если мне удастся растворить в тканях только клеточные мембраны, но оставить в неприкосновенности ядерные мембраны, то я смогу превратить мозг в суп со свободно плавающими в нем клеточными ядрами, которые можно легко посчитать, набрав для этого всего несколько аликвот (небольших объемов) взвеси, которую можно гомогенизировать простым встряхиванием. Так как каждая клетка в головном мозге располагает одним и только одним ядром, то если мне удастся узнать, сколько в мозге клеточных ядер, одновременно я узнаю, сколько в нем клеток. Если бы только у меня была лаборатория…

Роберто Лент, заведующий отделом анатомии и один из руководителей, взявших меня на работу, определенно располагал лабораторией – и, по иронии судьбы, он в это время заканчивал работу над учебником, называвшимся по-английски «Сто миллиардов нейронов». Когда я спросила его, откуда он взял это число, Роберто, как я и ожидала, не смог ответить. «Как бы вы отреагировали, если бы я сказала вам, что знаю, как правильно посчитать клетки?» Роберто отреагировал великолепно. Он не только выслушал мою странную идею, но и дал мне место в своей лаборатории, разрешив пользоваться оборудованием и расходными материалами, несмотря даже на то, что, если моя идея оказалась бы верной, ему пришлось бы менять название руководства (что он позже и сделал), и это получилось у него очень легко. Правда, первое издание уже с успехом разошлось в Бразилии к тому времени, когда был получен результат, но в следующих изданиях к заглавию был просто добавлен вопросительный знак: «Сто миллиардов нейронов?».

На полке в лаборатории валялся забытый кем-то кухонный блендер, а человеческие мозги можно было без труда взять в отделении патологической анатомии в соседнем университетском корпусе. Конечно, я планировала начать с растворения мозгов мышей и крыс, что на первых порах исключало использование блендера; тем не менее каждый раз, входя в лабораторию, я бросала взгляд на блендер и спрашивала себя: «Неужели в один прекрасный день я действительно брошу человеческий мозг в блендер и разотру в мелкий порошок то, что составляло самую сущность человека?» Картина грубого, быстрого и полного уничтожения человеческого мозга не давала мне покоя. Но я все-таки убедила себя, что в конечном счете растворение мозга не так уж сильно отличается от его разрезания на десятки тысяч мелких кусочков, что рутинно делают все анатомы для того, чтобы готовить тонкие срезы мозга для микроскопических исследований. Разница заключалась в том, что это будет не разрезание на мелкие кусочки, а растворение с разделением ткани мозга на еще более мелкие части, на клеточные ядра. Кроме того, по протоколу исследования мне не надо было бросать в блендер большие куски мозга. Скорее, это было похоже на приготовление льда: мозг предстояло рассечь на тонкие пластинки, пластинки на мелкие кубики, а уже кубики растереть в мелкую кашицу.

Вначале мне все же пришлось использовать маленький блендер. Выделение клеточных ядер – это стандартная биохимическая процедура, и я воспользовалась протоколом, который предусматривал глубокое замораживание крысиных мозгов в жидком азоте, для того, чтобы расщепить клеточные мембраны, а затем твердые куски ткани я помещала в ручной блендер. Результат было легко предвидеть: кусочки замороженного крысиного мозга разлетались по всей лаборатории. Превращение же мозга в суп и подсчет всех клеток будут возможны только в том случае, если мне удастся не потерять ни единого ядра. Потери кусочков замороженного мозга, пусть даже они прилипали к крышке блендера, были абсолютно неприемлемы.

Измельчение слегка зафиксированной ткани в ручном стеклянном гомогенизаторе (рис. 2.1) было намного более перспективным. Фиксация в формальдегиде сшивает молекулы белков в тканях, делает их жесткими и прочными. Поскольку ядерная мембрана содержит много белка, она очень хорошо фиксируется формальдегидом и приобретает устойчивость к мощным физическим воздействиям. Первые попытки со свежими, незафиксированными тканями показали мне, что представляют собой разрушенные ядра: они превращались в хлопья свободной ДНК, которая под микроскопом выглядит окрашенной в синий цвет, так как для окраски ядер я применяла краситель DAPI. Препараты из фиксированных в течение всего нескольких часов тканей сохраняли большую долю интактных ядер, но все же многие из них разрушались.



Рис. 2.1. Стеклянный гомогенизатор тканей выглядит как стеклянные цилиндрические ступка и пестик. В таком устройстве гомогенизируют (размалывают до гомогенного состояния) ткань головного мозга



Я нашла решение после того, как начала фиксировать ткани в течение двух недель. Эта идея спасла всю работу: если даже короткая фиксация сохраняла какое-то количество ядер целыми, предохраняя их от разрушения в гомогенизаторе, то тщательная, длительная фиксация делала ткани плотными, как камень, и можно было надеяться, что все до единого ядра оставались целыми в процессе обработки, а это и было целью всего предприятия. Наконец все сработало: когда в каждом опыте я стала получать приблизительно одинаковое число ядер, я поняла, что у меня получился новый, весьма эффективный метод подсчета клеток.

После некоторого обдумывания таких деталей, как сбор ядер и перенос в градуированные пробирки без ощутимых потерь, у меня в руках был стабильный протокол опытов. Он состоял из рассечения твердого, фиксированного мозга на более мелкие, анатомически и функционально значимые области, например на кору целиком, мозжечок, обонятельные луковицы и «остальное» (пока). После взвешивания каждая часть рассекалась на тонкие срезы, затем на мелкие кубики, что облегчало процесс растирания: оно производилось в среде детергента Тритон-Х100 между стеклянными стенками гомогенизатора, что позволяло разрушать клеточные мембраны, но сохранять мембраны ядерные. Двадцать минут вращательно поступательных движений поршнем в цилиндре – и я получала мутную, но без хлопьев жидкость, содержащую взвесь ядер. Мозг был окончательно превращен в суп. Следующий шаг заключался в тщательном сборе ядер – не должно было пропасть ни одно ядро, подлежащее учету. Для этого я несколько раз промывала поршень в цилиндре, потом отсасывала пипеткой ядерный осадок на дне цилиндра, затем снова промывала поршень, снова отсасывала жидкость и так несколько раз, до тех пор пока не получала определенный объем, содержащий все ядра. К этой жидкости я добавляла краситель для окрашивания ДНК, а затем физиологический раствор до объема, который можно было легко определить в градуированном цилиндре. Окрашивание остатка последней промывной жидкости после окрашивания DAPI позволяло убедиться в том, что в гомогенизаторе не осталось больше ядер. Все ядра всех клеток ткани – окрашенные и собранные – находились теперь в известном объеме, готовые к подсчету. Теперь оставалось только встряхнуть суспензию, чтобы равномерно распределить ядра по объему, а потом выбрать несколько аликвот для подсчета и экстраполировать результат на весь объем.

Подсчет свободных клеточных ядер методом флуоресцентной микроскопии не требует специальной подготовки: ядра – это округлые объекты, превосходящие размерами бактерии и митохондрии. Пользуясь гемоцитометром, представляющим собой закрываемую покровным стеклом камеру, имеющую объем 4 нл (4 миллионных доли миллилитра), на дне которой вырезано 25 квадратных углублений, я могла легко посчитать, сколько ядер находилось в 100 нл взвеси, и по пропорции вычислить, сколько ядер содержится во всем известном объеме. Для подсчета ядер под микроскопом в четырех аликвотах у меня уходило 10 минут. Учитывая, что я делала суспензию гомогенной легким встряхиванием перед отбором аликвот, коэффициент вариации составлял меньше 0,10, то есть стандартное отклонение четырех подсчетов составляло не более 10 % от среднего числа клеток в каждой из четырех проб. При таком небольшом отклонении оценка общего числа клеток была так же надежна, как и подсчет клеток стереологическим методом.

Имея на руках число клеток, я воспользовалась тем преимуществом, что существуют антитела, которые специфически связываются с белком, который экспрессируется исключительно в клеточных ядрах нейронов и только в них. Этот белок называют нейрональным ядерным белком (neuronal nuclear protein – NeuN). Он был открыт в 1992 году[53], когда его функция была еще неизвестна[54]. У NeuN есть одно важное свойство, которое позволило мне надежно считать экспрессию NeuN маркером всех нейронов, и только нейронов, – присутствие NeuN можно выявить связыванием его специфическими антителами, окрашенными красным красителем и добавленными в суспензию. Это потребовало реакции небольшого количества суспензии с меченными красным красителем анти-NeuN-антителами, и спустя несколько часов я уже могла снова поместить ядра под микроскоп для того, чтобы определить, какой процент всех ядер (окрашенных ранее в синий цвет) принадлежал нейронам (которые теперь были окрашены в красный цвет). Подсчета 500 ядер (что заняло ровно пятнадцать минут) хватило для определения процента нейронов с точностью до 0,2 %. Приложив это процентное отношение нейронов к общему числу клеток в выбранных структурах, я получила общее число нейронов в них. Вычтя это число из общего количества клеток, я получила число всех остальных клеток в ткани (вероятно, это было число глиальных клеток). Сложив результаты, полученные для каждой структуры – а я начала с простого разделения целого мозга на мозговую кору, мозжечок и все остальное, – я впервые в истории получила прямую оценку общего числа нейронов и других клеток в целом мозге крысы. Вся процедура была выполнена меньше чем за один рабочий день.

Я была страшно взволнована. Я теперь знала то, чего в этот момент не знал ни один человек в мире: сколько клеток содержится в целом мозге крысы.

Возник, правда, еще один вопрос: насколько достоверны эти данные, а достоверность в нейроанатомии означает сравнение полученных данных с данными, полученными стереологическим методом. Сравнение было невозможно для тех областей мозга, которые недоступны стереологическому исследованию; в конце концов главной целью создания нового метода и была возможность исследовать те области, где была неприменима стереология. К счастью для нас, в литературе нашлось несколько работ со стереологическими оценками количества нейронов в коре и мозжечке крысиного мозга. Наши результаты были сопоставимы с данными этих работ.

В 2004 году Карл Херруп, работавший в то время в Кливлендском университете, приехал на организованный Роберто и мною в Кашамбу (Бразилия) симпозиум, посвященный важности проблемы определения числа клеток в головном мозге. Карл давно интересовался подсчетом клеток в мозжечке – это его любимый отдел мозга, – но оставил эту идею в связи с отсутствием адекватного метода (мозжечок является плохим объектом стереологического метода из-за высокой плотности расположения крошечных нейронов в зернистом слое, которые расположены настолько тесно, что сливаются при рассматривании их под микроскопом). Карл был научным руководителем одной моей близкой подруги, и благодаря этому я когда-то смогла получить место в его лаборатории и всегда считала его моим неофициальным наставником. Когда в Кашамбу я объяснила Карлу суть моего метода подсчета мозговых клеток, он улыбнулся: «Я думал о чем-то подобном несколько лет назад. Я хотел использовать цитометрию в потоке для подсчета клеток, выделенных из ткани. Но серьезно этой проблемой я так и не занялся. Вы меня опередили, и я рад, что у вас это получилось!» Узнав, что статья о работе уже готова, но не опубликована, Карл сразу же вызвался стать ее редактором в Journal of Neuroscience. А в 2005 году после тщательного обсуждения статьи коллегами Роберто и я получили оттиск статьи, напечатанной в одном из самых авторитетных журналов в этой области биологии[55].

Несмотря на то что превращение мозга в суп для подсчета общего числа клеток в мозге давало результаты, сравнимые с таковыми, полученными стереологическим методом (там, где такие результаты были), а полученные данные становились все более и более убедительными по мере того, как мы анализировали мозг других биологических видов, наш метод столкнулся с довольно сильным сопротивлением со стороны некоторых специалистов, особенно тех, кто видел, как их любимые теории рушатся перед лицом данных об ином количестве клеток в мозге. Рецензенты и критики хотели видеть одно и то же доказательство – параллельное сравнение нового метода с проверенным стереологическим методом. Я не имела опыта в стереологии, поэтому самостоятельно не смогла бы осуществить такое сравнение еще в течение многих лет. Однако в конце концов, что было к лучшему, не я доказала нашу правоту. Это было сделано независимо от нас в 2014 году Кристофером фон Бартхельдом из университета Рено, а также Дэниелом Миллером и моим будущим сотрудником Джоном Каасом из университета Вандербильта в Нэшвилле[56]. С тех пор как мы с Джоном начали сотрудничать в 2006 году, в его лаборатории была разработана автоматизированная модификация нашего метода подсчета клеток с применением флоуцитометра[57]. Джон и Крис показали, что, по меньшей мере, наш новый метод превращения головного мозга в суп не только так же точен, как стереологический, но он требует меньше времени, более надежен и прост в выполнении[58]. Кроме того, как и было задумано, наш метод позволял получать надежные результаты для сложных гетерогенных структур, как, например, головной мозг, которые невозможно анализировать стереологическими методами[59].

Новый метод между тем не был назван «методом мозгового супа». Нам было сказано, что этот метод похож на жидкостную версию оптического фракционирования – стереологического метода, в ходе выполнения которого ткани рассекают на срезы, срезы на блоки, а блоки помещают в оптические пробы, и только после этого начинается подсчет клеток. Мы с Роберто тоже поняли, что наш метод должен быть назван «фракционированием». Поскольку мы пошли дальше подсчета клеток в кубиках ткани и расщепили кубики на самые мелкие составные части – ядра, я предложила название «окончательное фракционирование», но Роберто мудро отклонил его. Дело в том, что мы превратили гетерогенную ткань в гомогенную, то есть «изотропную», суспензию ядер, и он предложил другое название – «изотропное фракционирование». Это название осталось за неимением лучшей альтернативы. Не кто иной, как Карл Херруп, заметил мне, что название получилось очень неуклюжим, и я с ним согласилась. Там, где это возможно (а это случается нечасто, так как редакторы научных журналов не любят нарушений формальностей), я предпочитаю называть метод тем, чем он является на самом деле, – методом «мозгового супа».

3. У вас есть мозги?

Теперь, когда в моем распоряжении был метод подсчета мозговых клеток, мне были нужны мозги – и не только человеческие. Мне нужны были мозги широкого спектра других видов для того, чтобы сравнить их с человеческим мозгом: как еще могли мы обнаружить, что наш мозг содержит больше нейронов, чем мозг животных объемом больше нашего, например мозг слона? Мне также хотелось понять эволюционное происхождение разнообразия мозга у разных видов: одинаково ли отношение между размером мозга и числом нейронов у всех млекопитающих, с одинаковой ли скоростью увеличивается число нейронов в разных мозговых структурах, существуют ли универсальные фундаментальные законы, определяющие, из чего состоит мозг. Для достижения этой цели требовались образцы мозга возможно большего числа видов – маленькие и очень маленькие, большие и очень большие – многих групп млекопитающих, помимо общепринятых лабораторных животных: мышей, крыс и, реже, обезьян.

Конечно, надо было с чего-то начать и было очень удобно, что в виварии Института биомедицинских исследований в Рио были не только крысы и мыши, но также хомячки и морские свинки – четыре вида грызунов с восьмикратным разбросом массы тела и девятикратным разбросом массы мозга. Это был хороший старт: я знала, что в нескольких масштабных сравнительных исследованиях клеточного состава мозга, в частности в работе Дональда Тауэра и Герберта Хауга, все млекопитающие сравнивались так, словно они принадлежали одному виду, а мне хотелось избежать этой ошибки (Гейнц Штефан и его команда в Германии все же позаботились о том, чтобы отделить приматов от насекомоядных и летучих мышей в своих исследованиях, но и они привели лишь волюметрические данные, пренебрегая данными денситометрическими, которые могли бы дать хотя бы приблизительное представление о числе нейронов). Так как нам были доступны четыре вида грызунов, я решила, что для начала займусь только ими. Но нам было нужно нечто большее, в частности, нам был необходим мозг очень крупных грызунов, если мы хотели выявить количественные отношения, характерные для построения мозга животных этого отряда.

Здесь нам очень повезло: самый крупный грызун обитает в Южной Америке – это капибара (Hydrochoerus hydrochoerus, «водосвинка», рис. 3.1), бесхвостый бурый мохнатый клубок размером с немецкую овчарку, с квадратной мордой, совершенно не похожий на крыс и других грызунов, если не считать огромных, характерного вида резцов. Это общительное стадное животное обитает на мелководье пресных озер и рек в бассейне Амазонки. При приближении змей или крупных кошачьих – своих врагов – капибара прячется под воду, выставив на поверхность одни только ноздри. К счастью, капибара не является угрожаемым видом. Мясо капибары идет в пищу и считается даже лакомством, особенно на северо-западе Бразилии. Недавно капибар видели в лагунах Рио-де-Жанейро, и они стали настоящей чумой для Кампинаса (штат Сан-Паулу). Говорят, что для того, чтобы получить официальное разрешение на отлов или на охоту на капибар, надо пройти круги бюрократического ада. Кроме того, капибары полюбились публике, которая страшно радуется, завидев их в воде, и мне не хотелось омрачать эту радость. Изучать разнообразие мозга я собиралась не всю жизнь, и мне были не нужны негативные упоминания в прессе о моей скромной особе.



Рис. 3.1. Капибара (Hydrochoerus hydrochoerus) – самый крупный в мире грызун (слева) и агути (Dasyprocta primnolopha) – четвертый по величине грызун (справа)



Как раз в то время, когда я начала искать фермы, на которых разводили капибар для ресторанов Северо-Запада, Роберто Лент, мой сотрудник, получил новость от Кристовау Пикансо-Диниза, своего коллеги из Федерального университета в Белем-ду-Пара, в Северной Бразилии. Бразильское ведомство по возобновлению природных ресурсов и защите окружающей среды захватило двух капибар, которых нелегально выращивала на мясо одна семья, и уже хотело как-то от них избавиться, когда сотрудникам ведомства пришло в голову поинтересоваться у Кристовау, который изучал сенсорные представительства в головном мозге, не нужны ли ему капибары (нет, я не знаю, каким был ход мыслей сотрудников). Кристовау знал о новом направлении наших исследований по сравнительной анатомии мозга и предложил нам мозг этих капибар. Его студенты, напялив выданные им мясницкие фартуки, забили животных, и нам прислали их головы в большом пластиковом контейнере, залитые раствором параформальдегида. Это было страшное и зловонное послание, но мы радовались как дети: у нас теперь был мозг капибары!

Любезность Кристовау этим не исчерпалась. Он снабдил нас еще двумя экземплярами мозга другого крупного амазонского грызуна – агути (Dasyprocta primnolopha; рис. 3.1). Это довольно злобное животное размером с домашнюю кошку, которое во время еды сидит на задних лапах и держит еду двумя передними лапами, как крыса. Это четвертый в мире по величине грызун, который уступает североамериканскому бобру и южноамериканской паке, но при массе тела 3–4 кг он нам идеально подходил. Теперь у нас была партия из шести грызунов разных видов с массой тела от 40 г (лабораторная мышь, Mus musculus) до более чем 40 кг (капибара) и с массой мозга от 0,4 до 75 г (что можно сравнить с массой головного мозга макака). Теперь оставалось превратить все эти мозги в суп.

Такой же примат, как мы

Как новичок в этой области, я не могла представить себе тогда всю реальную важность числа нейронов и других клеток, которое мы теперь могли определить у разных видов грызунов. Я чувствовала, что теперь, имея возможность исследовать клеточный состав мозга разных видов, мы находимся на пороге чего-то важного, но мне хотелось послушать мнение и других специалистов. Так как в то время мы еще не успели опубликовать описание нашего метода «изотропного фракционирования» и данные исследования мозга шести грызунов, мне надо было поговорить с кем-то лично и объяснить, что мы делаем.

Возможность представилась в марте 2004 года, во время нашего пребывания на симпозиуме, организованном Международным институтом нейробиологии Мигеля Николели. Институт расположен в Натале – на северо-востоке Бразилии. Джон Каас, ведущий специалист по эволюции мозга приматов и старинный друг Мигела, должен был выступать на симпозиуме. Я подошла к нему сразу после выступления – я, не знакомая с ним лично и не принадлежавшая ни к одной из школ в этой отрасли, – и прямо, без обиняков и вступлений, спросила: «Что если я скажу, что располагаю очень простым способом подсчета нейронов в целом мозге, в целой коре и в любой структуре на выбор? Насколько, по-вашему, это важно?» Джон широко раскрыл глаза и, откинув назад голову, внимательно посмотрел на меня из-за крошечных очков. Теперь я знаю, что это признак сильного удивления. «Мы давно ищем способ подсчета, но пока никому не удалось этого сделать». Это было все, что я хотела услышать. По крайней мере, мы были на пути к чему-то очень полезному.

Позднее, в том же году, мы представили свои первые результаты по мозгу грызунов в Мекке нейробиологии – на ежегодном собрании Нейробиологического общества в Соединенных Штатах. Джон и его ассистент Кристина Коллинз подошли к нашему стенду, и мы заговорили о возможном сотрудничестве в исследовании числа нейронов мозга разных видов приматов, которые были доступны в лаборатории университета Вандербильта. После того как в 2005 году была опубликована наша статья об изотропном фракционировании, на следующем симпозиуме общества, где мы с Роберто представили второй стенд об изменении числа нейронов в развивающемся мозге крысы, Джон, Кристина и я встретились снова. Теперь планы приглашения меня в университет Вандербильта для начала активного сотрудничества стали более серьезными. Три месяца спустя я уже была там.

Шел январь 2006 года. Кристина Коллинз и еще один ученый, доктор Бейян Вонг, уже приготовили фиксированные образцы мозга нескольких видов приматов, готовых к измельчению и превращению в суп. Кроме того, они подготовили всю необходимую лабораторную посуду и реагенты, а также зарезервировали время для работы с микроскопом, так что к работе мы приступили сразу. Через три дня я пришла в кабинет Джона с открытым ноутбуком и показала первые графики сравнения мозга мармозеток, галаго и ночных обезьян (мозг у всех этих обезьянок очень мал и легко превращается в суп). Эти графики были добавлены к нашим (тогда еще не опубликованным) данным о мозгах грызунов. Результаты оказались весьма многообещающими: в мозгах этих приматов было упаковано больше нейронов, чем в мозгах грызунов, причем мозги имели сопоставимые размеры. Стало ясно, что мозг приматов устроен не так, как мозг грызунов. «Значит, это на самом деле работает!» – воскликнул Джон, откинув голову и широко раскрыв глаза. Я улыбнулась, все еще держа в руках ноутбук. «Так вы не ожидали, что это будет работать, не так ли?» Он непринужденно признался, что это так. «Но теперь вы получите все, что вам нужно. Просто назовите, что именно!»

Так начался подлинный праздник. Мы отложили несколько полушарий мозга различных видов приматов, включая несколько образцов, взятых у разных видов макак. Эти образцы я должна была забрать домой и проанализировать в своей новенькой – пусть и крошечной – лаборатории в Рио. Джон представил меня Кену Катания, своему бывшему ученику, биологу, работавшему в университете на правах экстраординарного профессора биологии. У Кена была целая колония голых кротовых крыс – жутких созданий, которые обитают в туннелях и метрополитене. Кен, кроме того, часто выезжал в экспедиции, где отлавливал насекомоядных (землероек и кротов). Мы начали сотрудничать в определении числа нейронов в мозге этих млекопитающих, которых сейчас в номенклатуре называют eulipotyphla, а раньше называли insectivore. К этому отряду относятся самые мелкие в мире млекопитающие. Кристина и Бейян приступили к препарированию зрительных и слуховых структур в коре и подкорке мозга разных видов, и теперь мы смогли исследовать, как изменялась численность нейронов в этих сенсорных путях в процессе индивидуального развития. Действительно ли по мере увеличения массы головного мозга приматов зрение начинает преобладать над слухом, как предполагалось в отношении в высшей степени визуальных высших обезьян? (Оказалось, что это не так, хотя мы выяснили, что зрение у них действительно преобладает: у животных-приматов в мозге в пятьдесят раз больше нейронов, отвечающих за обработку зрительных стимулов, чем нейронов, обрабатывающих слуховую информацию[60].) Я совершила налет на холодную комнату Джона, где обнаружила ненужные ему мозжечки и обонятельные луковицы. Лаборатория Джона специализирована для изучения мозговой коры, но, по счастью, лишние части мозга не были выброшены. (В следующем году, когда я вернулась с полным набором данных, который надо было превратить в печатную статью, мы начали собирать образцы спинного мозга животных, забитых с другими целями. Спинной мозг был нам нужен для выявления отношений между размерами тела и числом нейронов, которое требуется для того, чтобы им управлять[61].) Когда я во время первого визита оказалась в холодной комнате Джона, я обнаружила там четыре больших мозжечка – один гориллы и три орангутана, которые лет десять пролежали в ведре с параформальдегидом. Будучи весьма устойчивой молекулой, ДНК до сих пор присутствовала в ядрах, и поэтому ядра сохранили способность к окрашиванию DAPI, а, значит, мы могли их подсчитать, несмотря на длительное хранение. Я бросилась в кабинет Джона: «Можно мне их забрать?» «Конечно, можно», – ответил он. И вот теперь снова наступило Рождество.

Сотрудничество с Джоном перевернуло и изменило всю мою жизнь. Он очень мягкий человек, добрая душа, человек, добившийся огромных результатов в науке – как в области пластичности взрослого мозга, так и в области эволюционной нейроанатомии. Теперь же он, по его собственным словам, просто хочет «получать от науки удовольствие». Он немедленно принял участие в публикации нашей первой работы по грызунам в Proceedings of the National Academy of Sciences в 2006 году. Он начал говорить в кругах нейроанатомов мирового уровня о наших новых данных, именно он позаботился о том, чтобы я выступила с основным докладом на симпозиуме по эволюции головного мозга в 2010 году, где я наконец лично познакомилась с ведущими исследователями в области сравнительной и эволюционной нейроанатомии. Я уверена, хотя и никогда не спрошу, а он не ответит, что это он номинировал меня на премию фонда Джеймса МакДоннелла, которую я получила в том году, – беспрецедентную (по бразильским меркам) сумму в 600 000 долларов, которые я могла по своему усмотрению направить на исследования нейроанатомических основ когнитивного превосходства человеческого мозга. Моими достижениями я больше всего обязана влиянию Джона в этой отрасли науки, но надо честно признать, что мои данные не были бы опубликованы, а мои достижения признаны, если бы они того не стоили. Я безусловно благодарна Джону, и мы до сих пор получаем удовольствие от исследования эволюции головного мозга, как он того и хотел. Мы уже совместно опубликовали четырнадцать научных работ и, надеюсь, не остановимся на этом.

Африканские животные, крупные и мелкие

Использование приматов в наших исследованиях было большим шагом вперед и шагом необходимым, если мы хотели понять, является ли мозг человека стандартным мозгом приматов. Но мне хотелось поработать с большим спектром видов, чтобы изучить механизмы, порождающие эволюционное разнообразие. В этом контексте мне часто упоминали одно имя, говоря, что этот человек может стать возможным источником получения образцов мозга – от очень маленьких до очень больших. Этот человек – Пол Мэнджер, австралийский ученый, работающий в Южной Африке. Мэнджер занимается сравнительной нейрохимией стволовых структур мозга, а, кроме того, как я узнала позже, часто садится за руль своего джипа и едет в саванну, где лично занимается отловом животных.

Время познакомиться с Полом пришло в 2009 году, когда я натолкнулась на статью, в которой он описывал, как осуществлять перфузию мозга слонов в полевых условиях, чтобы сохранять его в состоянии, пригодном для последующих микроскопических нейроанатомических исследований. Только что было опубликовано наше исследование по подсчету среднего числа нейронов в мозге человека[62], и мы теперь были готовы перейти к следующему вопросу: действительно ли намного больший мозг африканского слона содержал больше или меньше нейронов по сравнению с мозгом человека? Из новой статьи Пола я узнала, что он легально добыл мозг трех взрослых африканских слонов-самцов, которые были застрелены в рамках регулирования численности популяции слонов по программе, осуществляемой в Зимбабве трестом Малилангве. Под наблюдением ветеринаров треста эти три слона были усыплены анестетиком, который не действует на людей, а затем застрелены в сердце. Головы всех слонов были отделены от туловищ, после чего была выполнена перфузия головного мозга через сонные артерии. Сначала, для того чтобы очистить мозг от крови, его промывают 100 л солевого раствора из емкостей, расположенных на возвышенной платформе, а потом сосуды мозга тем же путем перфузируют 100 л параформальдегида, чтобы сохранить мозг для перевозки в лабораторию для последующего изучения. Туши слонов были разделаны другими людьми, а мясо распределено между жителями окрестных деревень. Всего они получили десять тысяч порций отличного мяса. Эти три слона плюс еще несколько животных, застреленных в том году в Зимбабве, не только позволили накормить местных жителей, но и помогли науке благодаря работам Пола и его сотрудников по всему миру.

Итак, я отправила Полу электронное письмо с пожеланием вступить в этот клуб. Я понимала, что это был выстрел на удачу, потому что содержание письма можно перефразировать так: «Привет, незнакомец, я занимаюсь тем, что превращаю мозги в похлебку для того, чтобы понять, из чего они состоят. Не будете ли вы так любезны поделиться со мной половиной одного из великолепных слоновьих мозгов, которые вы только что добыли, чтобы я могла их уничтожить?» К счастью, Пол не отмахнулся от меня с порога (как выяснилось, он обожает необычные идеи, что сильно мне помогло) и вместо этого сразу же мне ответил, предложив несколько фрагментов ткани, которыми я смогу заняться. Этого хватит?

Спасибо, но нет. Этого не хватит, ответила я, и пустилась в объяснения: несколько кусочков не дадут нам возможность выйти за пределы того, что уже было сделано Дональдом Тауэром в пятидесятые годы, когда он определял плотность нейронов в нескольких пробах огромной мозговой коры азиатского слона[63]. Умножение полученных значений плотности нейронов на объем изучаемой области, то есть простейшая арифметическая операция, в принципе могло бы дать удовлетворительный ответ на вопрос о числе нейронов в коре, если бы она была гомогенной. Но на основании того, что мы сегодня знаем о коре человеческого мозга, мы не можем полагать, что это так. Такие расчеты неприемлемы. Такой расчет неприемлем также ввиду того, что адекватные стереологические методы дают непредвзятые оценки, а, учитывая, что оценки общего числа нейронов, полученные таким способом от множества разных видов, окажутся под сильным влиянием невероятно большого разброса объемов мозга среди разнообразных видов, никакой математической ценности в таких расчетах не будет, и они не позволят нам понять, как можно сравнивать мозги разных видов. Выхода из этой ситуации нет. Если мы хотим делать все правильно и найти ответ на очень важный вопрос о том, содержит ли человеческий мозг больше нейронов, чем мозг слона, превосходящий его по массе в три раза (что я считала простейшим объяснением когнитивного превосходства человека), то нам надо посчитать нейроны в целом мозге слона. Или, в крайнем случае, нам нужна целая половина этого мозга – одно полушарие – в предположении, что разница в числе нейронов между полушариями будет пренебрежимо мала в сравнении с межвидовыми вариациями.

Пола, видимо, впечатлила моя способность торговаться, и он немедленно согласился подарить мне полушарие слоновьего мозга! Мы начали работать над организацией практического воплощения идеи. Ткань была слишком бесценной, чтобы посылать ее по почте, рискуя тем, что она исчезнет в неизвестном направлении или прилипнет к рукам бразильских таможенников. Поэтому Пол приложил к письму разрешение южноафриканского правительства на вывоз полушария слоновьего мозга, а я должна была приехать к нему в лабораторию в Витватерсрандском университете в Йоханнесбурге и забрать ценный груз с собой, как багаж. Но в связи с этим возникла другая проблема: смогу ли я на самом деле это сделать?

Я нашла телефонный номер национального агентства санитарного надзора, которое осуществляет в Бразилии пограничный контроль и отвечает за ввоз в страну предметов, имеющих отношение к здравоохранению, и пищевых продуктов. Я позвонила в офис агентства в Международном аэропорту Рио-де-Жанейро, где я планировала приземлиться, и задала свой вопрос – наверное, самый нелепый из всех, какие они когда-либо слышали: «Здравствуйте, я ученый, собирающийся навестить коллегу в Южной Африке, и я хочу спросить, смогу ли я ввести в Бразилию полушарие слоновьего головного мозга в одном из моих чемоданов?» Однако женщину на другой стороне провода вопрос, кажется, нисколько не удивил. «Так, слоновий мозг. Живой?» – (Что?) «Нет, мадам, он в отличном состоянии и мертвый». – «В таком случае он нас не интересует». Казалось, все было хорошо, потому что у меня был список видов, образцы тканей которых я везла в Бразилию, декларация о том, что они не живые и не представляют опасности, а также ввозятся без всякой коммерческой цели. Единственное, против чего возражали бы таможенники и пограничники, – это против ввоза живых животных. Мозги, которые я собиралась везти, не соответствовали этому критерию.

Я посетила лабораторию Пола в ноябре 2009 года для того, чтобы забрать полушарие слоновьего мозга, но кончилось тем, что мне достался и большой набор целых мозгов: летучих мышей, африканских грызунов, уникальных представителей африканской фауны, жирафов и антилоп, – но как раз половина мозга слона мне не досталась, во всяком случае пока. Мы уперлись в бюрократическую стену и не смогли получить разрешение на вывоз слоновьего мозга из Южной Африки. Со всеми остальными мозгами неприятностей у меня не было.

Заняться полушарием мозга слона мне удалось только в 2012 году, через три года после описанных событий и после исследования мозга множества других биологических видов, для чего Пол и я организовали нашу собственную вылазку в саванну для сбора мозгов ряда крупных парнокопытных животных. К парнокопытным относят таких животных, как свинья, олень и антилопа. Крупнейшими из них являются жираф (один мозг которого Пол презентовал мне во время первого визита) и гиппопотам (один мозг этого животного лежит в холодной комнате Пола и ждет, когда я за ним приеду). Парнокопытные особенно интересны по целому ряду причин, одна из которых заключается в том, что они принадлежат к одной кладе с китообразными, обладающими огромным мозгом (поэтому клеточный состав мозга представителей отряда парнокопытных может многое сказать о мозге китообразных до того, как мне удастся получить в распоряжение мозг кита): киты и дельфины имеют одних предков с современным гиппопотамом. Другая причина заключается в том, что масса мозга парнокопытных сопоставима с массой мозга средних и крупных приматов, поэтому они (мозги парнокопытных) подходят для выяснения вопроса о том, содержится ли в мозге приматов больше нейронов, чем в мозге парнокопытных, обладающем такой же массой. Например, мы сможем сравнить шимпанзе и корову по количеству нейронов, а не по массе мозга. Если моя гипотеза о том, что количество нейронов является главным ограничителем когнитивных способностей, окажется верной, то у парнокопытных мы обнаружим гораздо меньше нейронов, чем у приматов такой же массы.

Наш шанс добыть эти мозги без необходимости самим выходить на охоту реализовался благодаря хорошей организации этого дела в Южной Африке, наличию убежищ для пойманных диких животных (в случае незаконного промысла на охраняемые виды со стороны браконьеров или отловленных на законном основании по южноафриканским законам, а также для выдерживания в карантине до возвращения в дикую природу, до продажи зоопаркам, арабским принцам или ученым, желающим получить мозг этих животных). Целью одного из моих визитов было планирование исследования непрерывно растущего мозга нильского крокодила, для чего мы посетили крокодиловую ферму (абсолютно легальную). После этого Пол повел меня в другое учреждение, где раньше он получил мозг жирафа, к перфузии которого приступил прямо на месте. Все это место было обнесено высоким забором и окружено колючей проволокой под током: я чувствовала себя так, будто попала в парк юрского периода, настолько дикими были его обитатели. Там было несколько охраняемых белых носорогов, отбитых у браконьеров и поправлявшихся после полученных ран. После выздоровления все они будут возвращены в дикую природу. Зашли мы и в вольер к гепарду, легкомысленно последовав уговорам сопровождавшей нас женщины-ветеринара, которая воспитывала гепарда почти с самого его рождения и клялась, что эта самочка безвредна, как домашняя кошка. К моменту, когда моя префронтальная кора спохватилась, мы были уже в вольере и приблизились к зверю. Гепард смотрел мне прямо в глаза, и по спине у меня пробежал предательский холодок. Но бежать было уже поздно, и я подошла еще ближе и погладила животное, которое действительно замурлыкало, как котенок. Да, это истинная правда: мне привелось погладить гепарда. Каких только глупостей не делаем мы в нашей жизни!

Мне дали список (почти сюрреалистический) животных вместе с их ценами, и я обсудила с милыми людьми из приюта для животных, что и как мы должны делать дальше. Вернувшись домой, я тщательно проанализировала список, оценивая массы мозга и тела соответствующих животных, и сделала разумный выбор в отношении разнообразия их размеров, цен и количества часов, которые потребуются для извлечения мозга в каждом случае, а также связалась с фондом Джеймса МакДоннелла и нашим университетом, чтобы уточнить, получим ли мы деньги на приобретение этих животных из приюта. Добро было дано. Пол Мэнджер вызвался лично научить меня искусству забора мозгов в полевых условиях.

В июне 2012 года мы собрали команду крепких работящих студентов из отдела Пола, нагрузились несколькими ящиками инструментов, десятками литров солевого раствора и параформальдегида и двинулись в путь. Договорились на том, что эвтаназию животных проведут сотрудники приюта и ветеринары, а потом разрешат нам выполнить вскрытие прямо на месте; оставшееся мясо будет скормлено львам и другим крупным кошачьим, а мех получат рабочие приюта для их собственных нужд. Мы также должны будем все за собой убрать. Все должны были остаться довольны.

«Только не животные, – протестовала моя мама. – Какой это ужас – убивать невинных животных!» Учитывая, однако, что жизнь рано или поздно заканчивается у всех и что альтернативой для этих животных была ужасная смерть от когтей и зубов львов или леопардов, я думаю, что безболезненная смерть от передозировки анестетика была не таким уж и плохим вариантом гибели. К тому же я сама счастливый хищник (так же, как и моя дорогая мама между прочим, хотя она, как многие другие люди, отказывается есть мясо «симпатичных» животных). Я тоже животное, а животные по определению должны питаться другими формами жизни. Львы тоже должны что-то есть. Просто получилось так, что мы убили для них их обед.

Пол и несколько его студентов занялись извлечением головного мозга убитых животных; я же, вместе с остальными, принялась за извлечение спинного мозга, что, должна сказать, было намного труднее. Мы начали с удаления продольных мышц спины, мяса для миньонов, с каждого животного с помощью громадных и острых, как бритва, ножей. Я испытала странное удовлетворение, быстро научившись орудовать цепной пилой[64], так что к тому времени, когда мы приступили к разделке последнего из двенадцати животных, работа шла слаженно и быстро. Мы даже ухитрились обогнать команду Пола (к большому удовольствию некоего новичка).

Вернувшись в лабораторию, я приготовила два чемодана, набитых запечатанными контейнерами, заключенными в двойной слой белого пластика. В каждом контейнере находились один или больше экземпляров мозга. Я отправила домой селфи с этой прелестью. Ответ мужа пришел незамедлительно: «Похоже, ты везешь домой партию кокаина. Я уже готовлю деньги для залога на случай, если тебя арестуют в аэропорту».

Но та женщина из таможенной службы аэропорта сказала правду. Меня остановили на таможне после просвечивания чемоданов, но только из-за того, что таможенники решили, будто я везу строго запрещенный к провозу свежий сыр, как одна португальская пара, которую проверяли непосредственно передо мной. «Нет, – сказала я, – это всего-навсего мозги для исследований в сотрудничестве с одним южноафриканским университетом». Это было настолько неожиданное объяснение, что таможенники не сразу решили, кто должен инспектировать мой багаж и документы. Так что мне пришлось набраться терпения и ждать. Пришла женщина-офицер и зачитала мне декларацию о недопустимости провоза опасных биологических материалов и материалов, имеющих коммерческую ценность; потом она долго просматривала кипу разрешающих документов, составленных на полудюжине языков, ознакомилась с длинным списком биологических видов, оставила себе одну копию списка, о чем я знала заранее, а потом… она меня пропустила вместе с моими мозгами. Залог не понадобился.

После публикации статей и начала перспективного сотрудничества, в котором были заинтересованы мои партнеры, нам стало легче доставать нужные для наших анализов экземпляры мозга. Теперь у нас есть мозги сумчатых, хищников, птиц, рыб, осьминогов и, наконец, китообразных. Я бы с удовольствием поработала с мозгами насекомых, если бы знала, как их препарировать (да, да, у насекомых тоже есть мозг): дело не только в том, что насекомые – самая разнообразная группа животных с наибольшим числом видов, но и в том, что добыть их можно буквально в каждом дворе в неограниченном количестве. Поскольку же люди, не рассуждая долго, давят тараканов каблуками, а комаров прихлопывают ладонями, постольку я могу надеяться, что опыты с этими существами не вызовут протестов публики и сопротивления защитников животных. Главный мой интерес заключается в разнообразии строения мозга и в том, чему он может научить нас относительно эволюции жизни. Значит, если у насекомых есть мозг, то меня интересует и он. На двери моей маленькой лаборатории приклеен стикер: «Принесли мозги?»

4. Не все мозги устроены одинаково

По сути, мне хотелось подтвердить разнообразие в строении мозга у разных биологических видов; это был фундаментальный вопрос нейробиологии, но в то время мы плохо знали эту тему. Конечно, мы знали, из клеток каких типов состоит мозг: из нейронов, глиальных клеток и эндотелиальных клеток, образующих стенки мозговых кровеносных капилляров, которые доставляют мозгу кислород и питательные вещества, – но сколько этих клеток и в каких пропорциях они соотносятся друг с другом? Каковы правила, определяющие строение мозга, если такие правила вообще существуют? Сопровождается ли увеличение массы мозга у взрослых животных (масса и объем головного мозга – в данном случае взаимозаменяемые понятия[65]) просто добавлением пропорционального количества клеток всех перечисленных типов, или разные мозги по-разному и устроены, и пропорции соотношения клеток разных типов у них тоже разные? Имеет ли место какое-то единственное соотношение между размером мозга и числом в нем нейронов и других клеток, приложимо ли это соотношение универсально ко всем биологическим видам? То есть одинаково ли устроен мозг у животных разных видов?

Если бы это было так – а так думали в то время, когда я приступила к подсчету клеток, – то в мозгах одинаковой массы должно содержаться одинаковое число нейронов даже у животных, принадлежащих к разным родам и семействам; и чем больше мозг, тем больше нейронов он должен содержать у видов, не состоящих в родстве между собой. Был простой способ испытать эту гипотезу: должно найтись универсальное соотношение, связывающее массу головного мозга и число нейронов в нем среди всех видов млекопитающих животных, то есть любые два мозга одинаковой массы должны содержать одинаковое число нейронов.

В 2007 году мы имели достаточно данных по шести видам грызунов и по шести видам приматов (рис. 4.1) для того, чтобы проверить нашу гипотезу[66]. Нам впервые удалось выяснить, что, например, в мозге крысы содержится приблизительно 189 миллионов нейронов, в мозге агути – 795 миллионов, а в более крупном мозге капибары – 1,6 миллиарда нейронов[67]. У приматов, работая совместно с Джоном Каасом, мы обнаружили следующую картину: у мармозетки – 636 миллионов, у капуцина – 3,7 миллиарда, а у макака-резуса – 6,4 миллиарда нейронов[68]. Эти простые примеры показывают, что в мозге приматов средних размеров содержится намного больше нейронов, чем у самых крупных грызунов, то есть размер и внешний вид могут быть обманчивы. Здесь нам на помощь пришли математика и статистика: нам теперь не надо было полагаться на внешний вид.



Рис. 4.1. Крыса, мармозетка, ночная обезьяна, макак-резус и капибара расположены в порядке возрастания массы головного мозга. У обезьян обоих видов нейронов в мозге содержится больше, чем в мозге капибары, несмотря на то что масса головного мозга у них меньше. Числа нейронов обозначены: млн – миллион, млрд – миллиард



Простая линейная зависимость массы головного мозга от числа нейронов в мозге каждого из этих наших первых грызунов и приматов (рис. 4.2) демонстрирует общее правило: чем больше в мозге нейронов, тем больше его масса – более крупный мозг, как правило, имеет и большее число нейронов. Но главный вопрос остается: всякий ли мозг становится больше при одинаковом приращении числа нейронов?



Рис. 4.2. Линейный график показывает, что, возможно, существует единая зависимость между массой мозга и числом нейронов в мозге как у грызунов (окружности), так и у приматов (треугольники), что делает капибару аутсайдером



По графику линейной зависимости, приведенному на рис. 4.2, трудно выявить разницу между мелкими грызунами и приматами, точки которых располагаются в левом нижнем углу графика. Возникает впечатление, что единое отношение можно приложить ко всем этим видам за исключением капибары, точка которой отклоняется влево от точек приматов, как будто ее мозг имеет особенности строения, делающие ее аутсайдером, – похоже, что он слишком велик для числа содержащихся в нем нейронов. Всякое впечатление о двусмысленности исчезает, однако, если сделать график логарифмическим (рис. 4.3), то есть при использовании логарифмической шкалы на абсциссе и ординате. Как было сказано в главе 1, это стандартный прием, используемый в количественных биологических исследованиях и позволяющий отделять друг от друга самые мелкие значения, так как логарифмический график позволяет преобразовать степенную функцию в линейную, то есть кривая превращается в быстро восходящую прямую линию. Результат эквивалентен откладыванию логарифмических величин в линейном масштабе с тем преимуществом, что на графике становятся непосредственно видны нетрансформированные величины[69].



Рис. 4.3. Двойной логарифмический график показывает, что существуют разные отношения между массой мозга и числом нейронов в нем для грызунов (окружности) и приматов (треугольники). Линии ориентированы согласно степенной зависимости, которая наилучшим образом описывает изменения массы мозга как функции числа нейронов в мозге грызунов и приматов по отдельности, с показателем степени +1,6 у грызунов и +1,0 у приматов. Теперь капибара уже не выглядит аутсайдером: масса ее мозга соответствует предсказанной для числа в нем нейронов



Логарифмический график на рис. 4.3 позволяет утверждать, что грызуны и приматы распределены по двум отдельным линиям, так что капибара на самом деле не является аутсайдером, если ее сравнивать с другими грызунами. Как уже было сказано в главе 1, точки полученных данных образуют линию логарифмического графика и указывают на степенную зависимость, когда показатели Y (данные по вертикальной оси) изменяются не пропорционально X (данным на горизонтальной оси) с постоянным коэффициентом пропорциональности, но изменяются пропорционально степени, в которую возводятся данные, отложенные по оси X (в данном случае обозначим этот показатель степени а). Следовательно, степенная функция в логарифмической шкале записывается как Y = X^a, в противоположность линейной функции, которая принимает значения Y = cX. Между прочим, линейная функция является частным случаем степенной функции при показателе степени, равном +1, то есть когда Y возрастает линейно по отношению к X. Но, если показатель степени становится существенно больше +1, Y начинает возрастать быстрее, чем X. Например, когда Y – это масса головного мозга, X – число нейронов мозга, а степенная зависимость, связывающая эти две величины, характеризуется показателем степени +1, то соотношение будет линейным, и если число нейронов возрастает в 10 раз, то и масса головного мозга возрастает во столько же раз. Однако если аллометрический показатель степени равен +2, то увеличение числа нейронов в 10 раз приведет к увеличению массы головного мозга в 100 раз.

В нашем первом анализе[70], в который не был включен мозг человека, мы обнаружили, что масса мозга приматов растет с увеличением числа нейронов в степенной зависимости при показателе степени +1, то есть, по существу, линейно, по мере увеличения видового числа нейронов. В самом деле, при весе 87 г мозг макака-резуса в десять раз тяжелее мозга мармозетки (который весит всего 7,8 г) и содержит приблизительно в 10 раз больше нейронов. Однако, в противоположность этому, мозг агути, например, при массе 17,6 г весит примерно в 10 раз больше, чем мозг крысы, но число нейронов в нем больше, чем в мозге крысы, всего в 4 раза. Это, как мы выяснили, происходит потому, что масса мозга грызунов растет быстрее, чем число нейронов[71], то есть по закону степенной зависимости при показателе степени, равном +1,6. При таком показателе степени десятикратное увеличение числа нейронов в мозге грызунов приводит к увеличению массы мозга приблизительно в сорок раз. Таким образом, в сравнении с приматами у грызунов процесс приобретения дополнительных нейронов является, так сказать, инфляционным, так как приводит к несоразмерному увеличению общей массы головного мозга. Как следствие, мозг приматов не только располагает большим числом нейронов, чем мозг грызунов, но при этом чем больше масса мозга, тем больше разница между числом нейронов у приматов и грызунов, что демонстрируется прогрессирующим расхождением линий зависимости на графике, приведенном на рис. 4.3. Это и был наш ответ: не все мозги устроены одинаково, ибо даже у таких эволюционно близких отрядов, как грызуны и приматы, сильно разнится число нейронов в мозгах при их сравнимой массе.

Поскольку мозг состоит из структур, обладающих разным строением, клеточным составом и функциями, постольку объединение всех таких структур в некое единое целое при подсчете нейронов и массы может привести к невозможности выявить сходства и различия каких-то определенных частей мозга у разных видов животных. С другой стороны, разделение мозга на слишком многочисленные отделы для подсчета в них числа нейронов сделало бы исследование излишне трудоемким и длительным. Поэтому для того, чтобы изначально просто определить, одинаково ли растет мозг у разных групп млекопитающих, мы решили разделить мозг на несколько очевидных структур: мозговую кору, мозжечок и «все остальное» (анатомически это, конечно, некорректно, но зато точно). В это «все остальное» не входили обонятельные луковицы. Они расположены в небольших костных вместилищах в лобном отделе черепа и при заборе головного мозга отрываются и остаются в черепе. Поскольку в большей части экземпляров мозга, которые мы получали из внешних источников, обонятельные луковицы отсутствовали, мы не включали в исследование эти структуры, чтобы получать сравнимые результаты.

Действительно, мы обнаружили, что нейроны распределены по разным структурам весьма неравномерно. Ограничившись пока исследованием грызунов и приматов (за исключением человека), хотя и на большем числе видов – их было уже двадцать два[72], мы обнаружили, что у всех этих видов наибольшее число нейронов, около 80 %, было сосредоточено в относительно небольшом мозжечке – в структуре, расположенной в задней части головного мозга[73]. Таким образом, нельзя было исключить возможность того, что различие в отношении между массой мозга и числом в нем нейронов определяется разным числом нейронов в мозжечке соответственно грызунов и приматов, а не в коре мозга, где масса растет в линейной зависимости от роста числа нейронов.

Но это предположение оказалось неверным: одинаковое изменение числа нейронов приводило к разным изменениям массы коры мозга в этих двух группах животных (грызуны и приматы). Мы стали называть эти различные отношения между массой данной мозговой структуры и числом нейронов в ней «правилами шкалирования нейронов», которые были приложимы к соответствующей части мозга у каждой группы млекопитающих. У грызунов мы обнаружили, что нарастание массы коры происходило по закону степенной зависимости от нарастания числа нейронов с показателем степени +1,7; у приматов показатель степени был равен +1,0, то есть шкалирование является линейным. Как видно из рис. 4.4, это означает, что, так же как и в целом мозге, шкалирование мозговой коры грызунов сильно отличается от такового у приматов. По мере одинакового увеличения числа нейронов масса коры у грызунов увеличивается в большей степени, чем у приматов, а в результате в коре грызунов содержится меньше нейронов, чем в коре мозга той же массы у приматов.

Например, кора мозга имеет одинаковую массу у капибары (48,2 г) и у индийского макака (48,3 г), но эти схожие значения массы скрывают значимую разницу в числе нейронов: в коре капибары содержится всего 306 миллионов нейронов, а в коре мозга индийского макака – 1,7 миллиарда нейронов, то есть в равном объеме мозга макака упаковано в шесть раз больше нейронов, чем у капибары. Эта разница отражает то, что я назвала «преимуществом приматов» на основании особенности строения их мозга, где на единицу массы мозга приматов приходится намного большее число нейронов, чем у грызунов, что действительно является большим приобретением в ситуации, когда лимитирующим фактором служит объем, что мы увидим ниже в этой главе.



Рис. 4.4. Мозговая кора в разной степени увеличивает свою массу у грызунов (окружности) и у приматов (треугольники) в зависимости от увеличения числа нейронов. Линии графиков отражают степенную зависимость, которая наилучшим образом описывает вариации массы коры как функции числа нейронов в мозговой коре грызунов (показатель степени +1,7) и в коре приматов (показатель степени +1,0). Чем больше мозговая кора, тем больше разница в числе нейронов в ней между грызунами и приматами, тем больше становится нейронов у приматов в сравнении с их числом у грызунов



Преимущество приматов заметно и в мозжечке, где у грызунов и приматов имеют место разные правила шкалирования нейронов. Мозжечок увеличивает свою массу у разных видов грызунов в зависимости от числа нейронов по степенному закону с показателем степени +1,3 (рис. 4.5); у приматов, однако, показатель степени равен +1,0, и шкалирование происходит, таким образом, линейно. Это означает, что рост мозжечка происходит по-разному у грызунов и приматов, причем у грызунов масса мозжечка растет в большей степени, чем число нейронов в нем. В результате на единицу массы мозжечка приматов приходится больше нейронов, чем на единицу массы мозжечка грызунов. Например, мозжечок капибары (6,6 г) содержит 1,2 миллиарда нейронов, в то время как немного меньший мозжечок индийского макака (5,7 г) – 2,0 миллиарда нейронов, то есть почти в два раза больше.



Рис. 4.5. Мозжечок у грызунов (окружности) и приматов (треугольники) прибавляет в массе по-разному по мере увеличения числа нейронов. Линии графиков отражают степенные зависимости, которые наилучшим способом описывают изменения массы мозжечка как функцию числа нейронов в мозжечке грызунов (показатель степени +1,3) и приматов (показатель степени +1,0). Чем больше мозжечок, тем больше разница между числом нейронов в нем у грызунов и у приматов, причем число нейронов у приматов становится больше, чем у грызунов



Напротив, другие структуры мозга, которые мы исследовали единым блоком под названием «все остальное», поначалу не демонстрировали такую разницу в зависимости массы от числа нейронов между грызунами и приматами. Как становится ясно из рис. 4.6, эта совокупность ствола мозга, промежуточного мозга и полосатого тела (все собранные вместе подкорковые структуры) увеличивает свою массу у грызунов по мере роста числа нейронов согласно законам степенной зависимости с аллометрическим показателем степени +1,6, что номинально отличается от соответствующего показателя степени, характерного для увеличения массы остальных структур мозга у приматов (+1,1), но при этом между двумя группами имеют место области перекрывания значений. В противоположность четкому различению кривых при сравнении данных по коре головного мозга и мозжечку грызунов и приматов, в случае остальных структур головного мозга распределение более широкое, вероятно, по причине смешения разных мозговых структур в «одном горшке». Некоторые виды приматов оказались на той же кривой, что и грызуны, а некоторые грызуны – на кривой приматов, как это видно по смешению местоположений окружностей и треугольников на рис. 4.6. Например, остальные отделы мозга агути при весе 49 г содержат 49 миллионов нейронов, что не слишком сильно отличается от данных индийского макака, остальные отделы мозга которого при весе 7,4 г содержат 61 миллион нейронов. Правило шкалирования, на первый взгляд, практически не отличалось между грызунами и приматами. Однако, проанализировав большее число видов, мы выяснили, что преимущество приматов выявляется в зависимости от того, как именно собирают «все остальное», и мы убедимся в этом позже. Пока же мы остановимся на том, что означает преимущество приматов при увеличении массы коры и мозжечка по мере нарастания числа нейронов.

Различия в правилах нейронного шкалирования для мозговой коры и мозжечка между грызунами и приматами имеют весьма интересное следствие для эволюции разнообразия в строении мозга у разных групп видов. Впервые мы можем предположить, что те события, которые привели к расхождению приматов и грызунов, происшедших от какого-то общего предка, включали в себя не только положение глаз (фронтальное у приматов и латеральное у грызунов) и строение кончиков пальцев (ногти у приматов и когти у грызунов), но и изменение в плане строения мозговой коры и мозжечка. Большие аллометрические показатели степени для этих структур у грызунов позволяют предположить, что корковые и мозжечковые нейроны в среднем стали больше у грызунов, чем у приматов, притом, что они стали и более многочисленными (больше в этом контексте означает не только увеличение клеточных тел, но и большую длину дендритов и аксонов, как мы увидим ниже). Напротив, линейная зависимость увеличения массы коры и мозжечка у приматов по мере роста числа нейронов указывает на то, что средний размер нейрона у них остается стабильным. Какие бы изменения ни приводили к расхождению между грызунами и приматами, они (изменения) должны включать изменения в генах и других механизмах, контролирующих размеры клеток.



Рис. 4.6. Остальная часть мозга, в отличие от мозговой коры и мозжечка, как представляется поначалу, весьма сходным образом прибавляет массу в зависимости от увеличения числа нейронов у грызунов и у приматов. Линии графика, которые наилучшим образом описывают массу остальных частей мозга как функцию числа нейронов, согласуются с разными значениями показателя степени (у грызунов +1,6, а у приматов +1,1). Несмотря, однако, на то, что номинально кривые отличаются друг от друга, мы видим значительное перекрывание между грызунами и приматами



Обнаружение того, что мозговая кора и мозжечок грызунов и приматов следуют разным правилам нейронного шкалирования, имеет очень большое значение. Оно показало, что популярное допущение о том, что сравнение размеров мозга животных разных таксономических групп может дать информацию о числе в них нейронов и, таким образом, позволит судить о когнитивных способностях, оказалось попросту неверным. Мозги одного размера могут содержать разительно отличающиеся числа нейронов – по крайней мере, это так в отношении грызунов и приматов.

Разница в правилах нейронного шкалирования ничего, однако, не говорит нам о том, являлся ли мозг последнего общего предка грызунов и приматов (1) построенным подобно мозгу грызуна, а мозг приматов развился из него; (2) построенным подобно мозгу примата, а мозг грызуна развился из него; или (3) построенным совершенно отличным образом, развивался согласно другим правилам нейронного шкалирования, а не тем, которым подчиняются мозги современных грызунов и приматов, а мозг этих отрядов развился из того, оригинального мозга общего предка. С другой стороны, общность правил нейронного шкалирования для остальных отделов головного мозга грызунов и приматов говорит о вероятной возможности того, что остальные части мозга последнего общего предка двух таксонов был устроен так же, как у современных животных этих групп, то есть по намного более экономичному принципу, чем тот, который предусматривал бы независимую конвергенцию для достижения одинаковых правил нейронного шкалирования в остальных частях головного мозга, хотя, конечно, и такой сценарий тоже возможен.

Есть, однако, и один простой выход из этого затруднительного положения. Если бы мы могли определить правила нейронного шкалирования, приложимые к мозговой коре, мозжечку и остальным отделам головного мозга других групп животных – от африканских зверей (афротериев) до парнокопытных, – то есть для млекопитающих, отстоящих друг от друга дальше, чем достаточно близкородственные грызуны и приматы, то мы, вероятно, смогли бы определить, какая из упомянутых возможностей наиболее вероятна.

Помимо грызунов и приматов

Ныне живущие грызуны и приматы – достаточно близкие родственники, приблизительно в той же степени, в какой мы являемся родственниками нашим двоюродным братьям и сестрам. Дело не в том, что приматы произошли от грызунов или мы произошли от наших кузенов (последнее невозможно, особенно если мы одного возраста), а в том, что грызуны и приматы произошли от какого-то одного общего для них предка. В случае нас и наших кузенов таким общим предком может быть бабушка или дедушка, которых уже, быть может, нет в живых, но по устным рассказам и по метрическим книгам мы можем узнать, какими они были, когда жили и здравствовали. В случае грызунов и приматов общий предок, от которого произошли только эти два таксона, жил приблизительно 95 миллионов лет тому назад[74].

Генеалогическое родство с предками, жившими и вымершими так давно, можно установить с помощью некоторых современных и не очень современных методов. Независимо от того, какие методы привлекаются для решения этой задачи – радиометрическое датирование, секвенирование нуклеиновых кислот или белков или даже старомодное сравнение морфологических характеристик, – все полученные данные приходится анализировать математическим анализом «кладистики», задачей которой является определение, какая группа видов (клада) происходит от данного общего предка, а какая – нет. Конечно, данные, полученные в ходе кладистического анализа, не всегда согласуются между собой; различия в результатах могут быть обусловлены особенностями какого-то конкретного вида, генов и сравниваемого белка, разницей в частоте мутаций – и это всего несколько из возможных причин. Генеалогическое древо ныне живущего вида продолжает развиваться, изменяясь, когда появляется новое свидетельство, бросающее вызов старым интерпретациям данных и предполагающее новое теоретическое объяснение эволюции вида.

Тем не менее неоспорим тот факт, что виды, живущие сегодня на Земле, населяли ее не всегда, так же как и то, что некогда на нашей планете жили виды, которых сегодня нет. Скелеты существ, принадлежащих к виду современного человека, имеют возраст максимум 200 тысяч лет; с другой стороны, трилобиты процветали в период между 540 и 250 миллионов лет назад, но их остатки не находят ни в предшествующих, ни в более поздних отложениях. То же самое касается и динозавров: их остатки находят в породах, возраст которых оценивают в 230 миллионов лет, но не старше. Динозавры исчезли 65 миллионов лет назад, когда в полуостров Юкатан врезался крупный метеорит или комета[75]. С тех пор никто и никогда не видел живого динозавра, хотя на них очень похожи современные ящерицы и крокодилы. Жизнь – во всяком случае, в том виде, в каком она сохранилась в ископаемых остатках, – со временем развивалась, эволюционировала, ибо слово «эволюция», собственно, означает всего лишь «изменение». Таким образом, эволюция не теория – это неоспоримый факт: жизнь изменилась с течением времени. С другой стороны, теориями являются соображения о том, как происходили эти изменения, посредством каких механизмов, какими исторически прослеживаемыми путями.

Современный консенсус[76], основанный на молекулярно-биологических методах исследования и на математическом анализе самых выгодных возможностей, предполагает, что из всех современных зверей (плацентарных млекопитающих за вычетом однопроходных и сумчатых) африканские звери раньше всех ответвились от всеобщего предка, а китопарнокопытные (парнокопытные и китообразные) ответвились последними или, во всяком случае, сравнительно недавно, как это показано на рис. 4.7. Грызуны и приматы сделали это где-то в промежутке, объединенные в надотряд Euarchontoglires, однако это объединение, сделанное в 2007 году, ничего не дает нам в смысле оценки строения их головного мозга. Если бы мы могли определить правила нейронного шкалирования, верные в отношении африканских настоящих зверей, с одной стороны, и в отношении парнокопытных – с другой, и сравнить их с правилами, верными в отношении грызунов и приматов (а возможно, и других клад), то мы смогли бы претендовать на самое экономичное объяснение тому, как стало возможным разнообразие строения головного мозга, имеющее место в наши дни.



Рис. 4.7. Генеалогическое древо или наглядное изображение эволюционных отношений между ныне живущими видами млекопитающих (даты представлены в миллионах лет). Грызуны и приматы являются разными ответвлениями одной группы, особого надотряда плацентарных млекопитающих – Euarchontoglires, – тем не менее к их мозговой коре и мозжечку приложимы разные правила нейронного шкалирования. Цифры взяты с разрешения, из Herculano-Houzel, 2012



К 2014 году, то есть приблизительно через десять лет после того, как был создан метод превращения мозга в суп для подсчета содержащихся в нем клеток, благодаря маленькой армии студентов и сотрудников мы опубликовали данные, касающиеся 41 вида, принадлежавшего шести различным кладам млекопитающих. Вместе с Кеном Катания мы смогли определить правила шкалирования для насекомоядных, самых мелких из ныне живущих млекопитающих; в сотрудничестве с Полом Мэнджером мы поняли, каковы правила нейронного шкалирования у африканских зверей и парнокопытных на другом краю эволюционного древа настоящих зверей (плацентарных млекопитающих). Теперь мы могли приступить к исследованию всех этих видов и постараться выявить разницу и сходство в том, как изменялся их мозг по массе в процессе увеличения числа нейронов, и, таким образом, впервые обратить внимание на происхождение разнообразия мозга, возникшего в ходе эволюции млекопитающих.

Мы обнаружили, что картина с мозговой корой была абсолютно ясна. Правила нейронного шкалирования, которые, как мы видели, приложимы к грызунам, можно было распространить и на очень древнюю группу афротерий, или африканских зверей (землеройки и кроты плюс африканские слоны); на очень мелких, но не столь древних насекомоядных (еще кроты и землеройки), которые, как выяснилось, являются отдельной группой афротерий, что упразднило старый термин Insectivores с заменой его термином Eulipotyphla[77]; и на более молодую группу парнокопытных (свинья, куду, жираф[78]). Как показано на рис. 4.8, мозговая кора всех животных, не относящихся к приматам, имеет одно и то же соотношение между массой коры и числом нейронов, в то время как у приматов оно другое.



Рис. 4.8. Масса мозговой коры увеличивается сходным образом у грызунов, африканских зверей, насекомоядных и парнокопытных (окружности) по мере увеличения числа нейронов, но не так, как у приматов (треугольники). Линии указывают на степенные зависимости, которые наилучшим способом описывают вариации массы коры как функции числа нейронов в коре приматов (показатель степени +1,0) и в коре всех других кладов млекопитающих (показатель степени +1,6). Чем больше мозговая кора, тем больше рассогласованность в числе нейронов, обнаруженных в коре у приматов и неприматов при ее равной массе; в коре приматов содержится все больше и больше нейронов в сравнении с числом нейронов в коре неприматов



Мы получили ответ на эту загадку, что показано на рис. 4.9. Учитывая имеющие место эволюционные отношения среди видов и групп млекопитающих, которых мы исследовали, наиболее экономичным объяснением правил нейронного шкалирования у приматов и неприматов было следующее: правила шкалирования для неприматов, общие для всех современных видов, принадлежащих к кладам млекопитающих – как древним, так и молодым в отношении их эволюционного происхождения, – были характерны и для предковых форм всех плацентарных млекопитающих и остались практически неизменными с тех пор, ибо в противном случае у каждой из исследованных нами групп неприматов были бы свои собственные правила нейронного шкалирования. Приматы, в свою очередь, отклонились от предковых правил нейронного шкалирования и нашли свой собственный путь: правило нейронного шкалирования приматов – паковать в единицу объема коры больше нейронов[79]. (Остается самый жгучий вопрос: как выглядит человек в сравнении с другими приматами? Но с ответом мы подождем до следующей главы.)



Рис. 4.9. Предположительная схема эволюции роста массы мозговой коры в зависимости от роста числа нейронов: правила нейронного шкалирования, характерные для современных африканских зверей, грызунов, насекомоядных и парнокопытных, как можно допустить, были уже характерны для их общего предка и сохранились в эволюции у их потомков, но эти правила изменились при отхождении той ветви животных, которые затем дали начало приматам



Мы можем говорить об «отклонении» от предкового правила нейронного шкалирования у приматов по мере увеличения мозговой коры, потому что эволюционная история млекопитающих – это история сильной тенденции к увеличению размеров мозга[80], начиная с очень мелких животных с таким же малым головным мозгом. Самым близким известным родственником всех современных млекопитающих является похожее на млекопитающее существо Hadrocordium wui, масса тела которого, вероятно, не превышала 2 г, то есть приближалась к массе тела самых мелких современных насекомоядных и летучих мышей[81]. Это существо жило на Земле около 195 миллионов лет назад[82]. Согласно оценкам, мозг Hadrocordium весил около 0,04 г, а масса коры была равна, вероятно, 0,02 г при числе нейронов в ней всего 3,6 миллиона[83], что намного меньше чисел нейронов, какие мы обнаружили у всех исследованных нами млекопитающих. Но мы можем представить себе, что те ранние виды имели мозговую кору, которая уже была построена согласно правилам нейронного шкалирования, которые оставались неизменными в линиях, давших начало современным африканским зверям, грызунам, насекомоядным и парнокопытным, в равной степени, а группа, которая, в конце концов, дала ответвление, получила в дополнение измененные правила формирования коры мозга, и это были приматы – они получили в дар возможность паковать в единице объема мозга больше нейронов.

Что можно сказать о мозжечке? Здесь мы обнаруживаем, что африканские звери (за исключением слонов, о которых речь пойдет в главе 6) и парнокопытные отличаются теми же правилами нейронного шкалирования, какие были обнаружены у грызунов, в то время как у насекомоядных эти правила отличаются как от приматов, так и от других групп, как это показано на рис. 4.10. Интересно отметить, что упаковка нейронов в мозжечке насекомоядных является более плотной, чем в мозжечке сравнимой массы у грызунов и африканских зверей. Например, в мозжечке восточноамериканского крота (отряд насекомоядных) при массе 0,153 г содержится 158 миллионов нейронов, в то время как в немного меньшем мозжечке хомячка (отряд грызунов) при массе 0,145 г имеется всего 61 миллион нейронов, а в мозжечке прыгунчика (африканские звери) при массе 0,168 г – 89 миллионов нейронов.



Рис. 4.10. Масса мозжечка растет у грызунов, африканских зверей и парнокопытных (сплошные кружки) по мере увеличения числа нейронов, но не как у приматов (треугольники) и насекомоядных (белые кружки), у которых в мозжечке также увеличивается число нейронов. Линии графиков соответствуют степенным зависимостям, которые наилучшим образом описывают изменения массы коры как функции числа нейронов в коре приматов (показатель степени +1,0), насекомоядных (показатель степени тоже равен +1,0, но с вертикальным сдвигом прямой), а у остальных клад показатель степени равен +1,3. Число нейронов мозжечка насекомоядных хотя и сравнимо с числом нейронов мозжечка у мелких грызунов и африканских зверей, но сочетается с более плотной их упаковкой в ткани мозга



Таким образом, оказывается, что древние африканские звери обладали мозжечком, построенным в соответствии с правилами нейронного шкалирования, которые остались неизменными в линиях, давших начало современным африканским зверям, грызунам и парнокопытным, а группы, от которых впоследствии произошли современные приматы, и, отдельно, насекомоядные ответвились, когда изменился способ упаковки нейронов в их мозжечке (рис. 4.11), что позволило этим животным наращивать массу мозжечка медленнее при том же темпе роста числа нейронов. Это преимущество касается отряда приматов и отряда насекомоядных и заключается в том, что большее число нейронов не требует избыточного увеличения массы мозжечка.

Остальные части мозга демонстрируют те же правила нейронного шкалирования, что и кора, при этом правила одинаковы у африканских зверей, грызунов, насекомоядных и парнокопытных, а это указывает на то, что согласно этим правилам был также построен мозг первых плацентарных млекопитающих. Опять-таки, приматы отклонились от общего предкового пути построения остальных частей головного мозга, так как у них сопоставимое число нейронов упаковано в меньшем объеме мозговой ткани (рис. 4.12). Например, при числе нейронов от 106 до 122 миллионов остальные отделы мозга весят у капибары (отряд грызунов) 20,0 г, у куду (отряд парнокопытных) 64,0 г, но лишь 9,2 г у макака-резуса (отряд приматов).

Что означает разница в правилах нейронного шкалирования

То, что не существует универсального отношения между массой мозговых структур и числом нейронов в них, стало новым и фундаментальным открытием. Теперь мы знали, что подобное надо сравнивать с подобным, что людей, как приматов, надо сравнивать с другими приматами, а не с грызунами или парнокопытными. Например, масса мозговой коры является полезным приближением в оценке числа корковых нейронов, если сравнивать грызунов с другими грызунами или даже парнокопытными, но приматов нельзя уже сравнивать с грызунами и парнокопытными так, как будто между ними нет никакой разницы; сравнивать приматов можно только с другими приматами. По причине разных правил нейронного шкалирования кора мозга приматов, мозжечок и все остальные части головного мозга содержат намного больше нейронов, чем можно ожидать от коры, мозжечка и остальных отделов головного мозга сравнимой массы у видов животных, не принадлежащих к отряду приматов.



Рис. 4.11. Предположительная схема эволюции роста массы мозжечка в зависимости от роста числа нейронов: правила нейронного шкалирования, характерные для современных африканских зверей, грызунов и парнокопытных, как можно допустить, были уже характерны для их общего предка и сохранились в линиях потомков, но дважды (и порознь) изменились при ответвлении линий, давших начало приматам и насекомоядным



Рис. 4.12. Масса остальных частей мозга увеличивается одинаково у африканских зверей (квадратики), грызунов, насекомоядных и парнокопытных (кружки) по мере роста числа нейронов, но картина меняется у приматов (треугольники). Линии графика соответствуют степенным зависимостям, которые наилучшим образом описывают изменения массы остальных частей мозга как функции числа нейронов в этих структурах у приматов (показатель степени +1,2) и у остальных клад (показатель степени +1,9). При сравнимом числе нейронов остальных частей мозга эти структуры намного меньше у приматов, чем у других животных



Структурно– и порядково-специфичные правила нейронного шкалирования также говорят нам о природе эволюционных изменений, лежащих в основе расхождения и обособления коры и мозжечка приматов, мозжечка насекомоядных и остальных частей мозга парнокопытных. Оказалось, что мы можем вполне уверенно судить о том, что происходило, когда эти клады млекопитающих возникали как новые линии. Эти суждения стали возможными благодаря сравнительно простому математическому анализу.

Так как мозг состоит из клеток, размер мозга или какой-то мозговой структуры определенно зависит от количества клеток, содержащихся в них, и от средних размеров этих клеток[84]. Точнее, масса или объем мозга или мозговой структуры является произведением числа клеток – нейронов, глиальных и эндотелиальных клеток – на среднюю массу или объем этих клеток. Но, так как мы обнаружили равномерное распределение отличных от нейронов клеток в структурах головного мозга разных видов животных (об этом ниже), можно пока считать, что любые изменения в правилах шкалирования, управляющих клеточным строением мозга, являются результатом изменений тех способов, какими структуры увеличивают число нейронов, а не других клеток (глиальных и эндотелиальных), которые могут иметь разные размеры.

Нам было известно об изменениях числа нейронов в ходе эволюции млекопитающих, но что мы могли сказать о средних размерах этих нейронов? Если масса мозговой структуры увеличивается линейно с ростом числа нейронов, как это имеет место в коре и мозжечке приматов, то из этого можно сделать однозначный вывод: средние размеры нейронов остаются неизменными. Для того чтобы наглядно это проиллюстрировать, представьте себе эластичный мешочек, который можно заполнить разным числом пластиковых шариков. Если шарики имеют постоянный размер, то, если набить в мешочек в три или в десять раз больше шариков, объем мешочка увеличится точно в три или в десять раз. Это так, даже если не все шарики абсолютно одинаковы, так как постоянным остается их средний размер. В случае мозговых структур выяснение вопроса, является ли размер шариков (нейронов) постоянным у разных видов, представляется весьма трудоемкой задачей, ибо объем нейронов не сосредоточен в каком-то одном фокусе: дендриты, а особенно аксоны, иногда отходят от нейрона на весьма большое расстояние от тела клетки, и измерение объема целой клетки требует трудоемкой трехмерной реконструкции микроскопических фрагментов мозговой ткани.

Но здесь нам на выручку приходит простая математика. Если средний размер нейронов на самом деле является постоянным даже при изменении их числа, то число нейронов на единицу объема мозга, то есть плотность нейронов, тоже должно быть постоянным, так же как число шариков на единицу объема мешочка. Это очень полезная информация, потому что определение плотности нейронов – это тривиальная задача: мы просто делим число нейронов, найденных в ткани, на ее массу или объем.

Прибегая к той же аналогии, можно сказать, что при увеличении размера и количества шариков мешочек увеличивается в объеме с большей скоростью, чем число шариков. Если в мешочек укладывают в десять раз больше шариков, а каждый шарик теперь в 1,5 раза больше, то полученный объем будет не в десять, а в 10 × 1,5 = 15 раз больше. Если же шарики в пять раз больше, то добавление десятикратного числа шариков приведет к увеличению объема в 10 × 5 = 50 раз. Об изменении среднего размера шариков в каждом мешочке можно судить без измерения истинных размеров каждого шарика, а простым определением плотности шариков в мешочке. В первом случае плотность шариков окажется в полтора раза меньше; во втором случае – в пять раз. Изменение плотности, таким образом, обратно пропорционально изменению размеров шариков[85]. Но мало этого, если существует постоянное отношение между изменением размера шариков по мере того, как сами они становятся более многочисленными, это будет проявляться некоторым фиксированным отношением между плотностью шариков и их количеством в мешочке. Если же мы в этом утверждении заменим «шарики» «нейронами», то сможем узнать, как изменяется средний размер нейронов по мере того, как в ходе эволюции происходит увеличение их числа в мозговых структурах.

Преимущество приматов

В мозговой коре животных, не принадлежащих к отряду приматов, по мере роста числа нейронов плотность равномерно уменьшается, и это уменьшение можно описать степенной функцией от числа нейронов с аллометрическим показателем функции –0,6 (рис. 4.13). Поскольку средний размер нейрона изменяется обратно пропорционально плотности нейронов, этот показатель степени подразумевает, что средняя масса корковых нейронов возрастает с увеличением числа нейронов, возведенного в степень +0,6. Это означает, что если кора приобретает в десять раз больше нейронов, то размер каждого нейрона в среднем увеличивается в четыре раза, а масса всей коры – в сорок раз. Если же кора приобретает в сто раз больше нейронов, то нейроны становятся в 16 раз больше, а масса коры – в 1600 раз; при приобретении 1000 нейронов они становятся в 64 раза больше, а масса коры увеличивается в 64 тысячи раз. Напротив, у приматов, по мере увеличения числа корковых нейронов, плотность их упаковки в коре практически не изменяется (рис. 4.13). Это означает, что по мере развития коры приматов она начинает приобретать дополнительные нейроны без существенного увеличения их среднего размера. Это не означает, что нейроны приматов становятся мельче, но лишь то, что они перестают расти: размер клеток в коре приматов остается таким же, как размер нейронов в коре крыс или кроликов, и значительно мельче, чем у агути. Вследствие этого, когда кора приматов приобретает в десять раз больше нейронов, ее масса становится всего в десять раз больше, а если она приобретает в 100 раз больше нейронов, то и масса ее увеличивается тоже в 100 раз.



Рис. 4.13. По мере того как кора головного мозга животных, не принадлежащих к отряду приматов (кружки), приобретает нейроны, плотность их (в нейронах на 1 мг мозговой коры) уменьшается пропорционально увеличению числа нейронов, возведенного в степень –0,6, что означает следующее: масса нейронов возрастает в зависимости от увеличения числа нейронов, возведенного в степень +0,6. Напротив, по мере того как кора приматов (треугольники) приобретает нейроны, плотность нейронов снижается очень незначительно. Учитывая, что эволюция млекопитающих началась с животных малого размера с маленькими мозгами и крошечной корой, можно считать, что приматы отделились от общего предка с изменением, которое устранило связь между добавлением новых нейронов и увеличением средних размеров нейронов в коре головного мозга



Отчетливая тесная корреляция между плотностью упаковки нейронов (а следовательно, средним их размером) и числом нейронов у неприматов позволяет предположить, что должен существовать механизм, благодаря которому в эволюции этих млекопитающих произошло сопряжение увеличения числа нейронов в мозговой коре с увеличением среднего размера этих нейронов. Каждый раз, когда пока не открытый механизм увеличивал число нейронов, образующих мозговую кору нового биологического вида, этот механизм приводил и к увеличению среднего размера нейронов в фиксированном отношении. Более того, этот механизм был (и продолжает оставаться) весьма устойчивым, ибо он работает уже более 90 миллионов лет, то есть до расхождения африканских зверей, грызунов, насекомоядных и парнокопытных, и, на самом деле, до сих пор присутствует в современных видах каждой из этих таксономических групп. Когда приматы, в свою очередь, отделились от своего общего с неприматами предка, случилась поломка: упомянутый механизм перестал работать и произошло разобщение увеличения числа корковых нейронов и увеличения их среднего размера. То есть, на сколько бы ни увеличивалось число корковых нейронов при переходе от одного примата к следующему, не происходило одновременного увеличения среднего их размера. Таким образом, правила нейронного шкалирования у приматов стали другими, специфичными для этого отряда животных.

Поскольку первые, самые ранние виды приматов были мельче нынешних[86], этот «разрыв» в происхождении приматов проявился у животных с малым числом нейронов в их мозговой коре, и это число подчинялось правилам нейронного шкалирования, характерным как для приматов, так и для неприматов, то есть этот разрыв был локализован на пересечении распределения приматов и неприматов, как показано на рис. 4.8 и 4.13. Ископаемые остатки родоначальника приматов Ignacius graybullianus позволяют оценить его внутричерепной объем в 2,14 см³, а массу тела в 231 г[87]. Если этот вид действительно был близок к точке ответвления приматов и если древние правила нейронного шкалирования для предковых форм млекопитающих были еще применимы, то мы можем считать массу мозговой коры равной 0,96 г, что дает число нейронов, равное 42,4 миллиона, что близко к числу нейронов, определенному для современного мышевидного лемура[88]. Между тем мышевидный лемур находится на эволюционной лестнице там, где можно ожидать появления предкового примата на наших графиках, – на пересечении правил нейронного шкалирования мозговой коры приматов и неприматов. Применив правила нейронного шкалирования, которые, как мы считаем, были характерны для предкового млекопитающего, мы получили промежуточный результат – 33,9 миллиона нейронов в коре головного мозга. Близость двух оценок – это как раз то, чего следовало ожидать на основании предполагаемого сценария ответвления приматов от общего предка, то есть свойство, носителем которого был этот предок, общее с современными неприматами, но которое все более модифицировалось с изменением правил нейронного шкалирования, каковое становилось все более заметным по мере эволюционного увеличения числа нейронов в мозговой коре приматов.

Что может означать тот факт, что кора головного мозга приматов приобретает нейроны, которые, как правило, не становятся крупнее, но становятся более многочисленными в противоположность другим млекопитающим, для которых из увеличения числа нейронов обязательно следует увеличение массы отдельно взятого нейрона? Первое и самое главное – это значит, что природа не ограничена одним-единственным способом построения коры мозга. Но, во-вторых, в этом заключается важное преимущество приматов, состоящее в том, что нейроны не становятся крупнее по мере роста их числа: кора увеличивается в объеме лишь настолько, насколько больше она приобретает нейронов, и не более того. Что касается объема, добавление нейронов, которые лишь очень незначительно увеличиваются в размерах, является весьма экономичным способом добавления нейронов к коре в сравнении с альтернативой, имеющей место у неприматов, кора которых намного больше при равном числе нейронов. Это важно, потому что объем играет очень большую, если не главную роль: например, чем больше кора, тем больше времени требуется для того, чтобы потенциал действия распространился по волокнам коры, что замедляет обработку и интеграцию информации, поступившей в кору. В самом деле, по нашим оценкам, среднее время распространения сигнала в белом веществе коры быстро увеличивается у грызунов, по закону степенной функции от числа корковых нейронов, возведенного в степень +0,466, в то время как у приматов время распространения сигнала нарастает куда медленнее, так как кора приматов приобретает новые нейроны при аллометрическом показателе степени +0,165[89]. Характерный для приматов способ нейронной организации коры дает им явное преимущество, так как укорачивает время распространения сигнала по мере приобретения корой новых нейронов (а следовательно, увеличения объема коры) в сравнении с неприматами.

Здесь, однако, возникает сложная проблема: даже если кора приматов становится лишь прямо пропорционально больше по мере приобретения нейронов, то расстояние между двумя точками коры тоже неизбежно увеличивается, а, значит, эти точки должны быть соединены между собой более крупными или более длинными нейронами, тем не менее нейроны сохраняют свой средний размер. Как это может быть верным одновременно? Ответ заключается в ключевой концепции среднего размера нейронов: это означает, что некоторые нейроны могут быть крупнее (в данном случае – длиннее), но если это происходит, то за счет того, что другие становятся короче. В отношении коры и связанного с ней белого вещества это означает, что если некоторые корковые нейроны в более крупном мозге становятся крупнее, обладая более длинными волокнами, проходящими через ткань белого вещества, то в тем большей степени остальные нейроны ограничивают местоположение своих волокон серым веществом. Если средний размер нейронов не изменяется или изменяется очень незначительно среди видов приматов, то нейроны первого типа (образующие дальние связи с подкорковыми структурами через белое вещество) должны увеличиваться в числе медленнее, чем нейроны второго типа (образующие ближние связи внутри серого вещества, не выходя за его пределы в ткань белого вещества). В самом деле, проведенное нами отдельное изучение того, как подкорковое белое вещество увеличивается в размерах по мере приобретения корой дополнительных нейронов, показало, что корковые пути в белое вещество, то есть доля корковых нейронов, связанных с длинными волокнами, уходящими в белое вещество, на самом деле уменьшаются по мере увеличения числа нейронов, как это и предсказано согласно приведенному выше сценарию. Именно так укрупняются локальные сети: не путем роста всех связей, а добавлением множества новых местных связей и лишь небольшого числа ключевых длинных связей. Напротив, связи коры с белым веществом у грызунов остаются стабильными по мере того, как кора этих животных приобретает новые нейроны, и эти нейроны становятся в среднем крупнее[90].

Что касается мозжечка, то здесь мы видим, что плотность упаковки нейронов у неприматов и у животных, не принадлежащих также к отряду насекомоядных, уменьшается по мере того, как мозжечок приобретает новые нейроны, как это показано на рис. 4.14, что указывает на то, что средний размер нейронов увеличивается совместно с увеличением числа мозжечковых нейронов у этих видов, в соответствии с законом степенной зависимости с показателем функции +0,3. Это означает, что десятикратное увеличение числа нейронов, образующих мозжечок животных, не принадлежащих к отрядам приматов и насекомоядных, сопровождается двукратным увеличением среднего размера нейронов; тысячекратное увеличение числа этих нейронов сопровождается восьмикратным увеличением среднего их размера. В результате мозжечок приматов, независимо от размера, имеет плотность упаковки нейронов – а следовательно, средний размер нейронов, – сравнимую с этим показателем в мозжечке крысы.



Рис. 4.14. По мере того как мозжечок животных, не принадлежащих к отрядам приматов и насекомоядных (черные кружки), получает дополнительные нейроны, плотность их упаковки падает пропорционально числу нейронов, возведенному в степень –0,3, а это означает, что средняя масса нейронов возрастает пропорционально числу нейронов, возведенному в степень +0,3. Напротив, по мере того как мозжечок получает новые нейроны у приматов (треугольники) и у насекомоядных (белые кружки), не наблюдается отчетливого уменьшения плотности упаковки нейронов. Учитывая, что эволюция млекопитающих началась с животных, обладавших малым мозгом и, соответственно, малой корой, можно считать, что приматы и насекомоядные ответвились от соответствующих им предков с изменением, которое устранило сопряжение между увеличением числа мозжечковых нейронов и увеличением их среднего размера



Примечательно, что увеличение среднего размера нейронов происходит в мозжечке значительно медленнее, чем в коре головного мозга, при равном приобретении новых нейронов этими структурами у животных, не принадлежащих к отряду приматов. Это несовпадение приобретает смысл, если сравнить анатомию этих двух структур. Замедление увеличения среднего размера нейронов в мозжечке по сравнению с корой, вероятно, обусловлено разницей строения длинных связей между этими двумя структурами. В то время как мозговая кора обладает большим числом длинных реципрокных связей между участками коры, проходящих через подкорковое белое вещество, белое вещество мозжечка состоит исключительно из входных и выходных связей коры мозжечка, но отсутствуют связи, соединяющие разные участки этой коры. В мозжечке нет ничего похожего на мозолистое тело, соединяющее два полушария. Самые длинные волокна нейронов мозжечка достигают в длину всего нескольких миллиметров (в противоположность сантиметрам в коре большого мозга), и эти волокна проходят в верхнем слое коры самого мозжечка параллельно листкам мозжечка, где эти волокна переносят информацию между клетками Пуркинье. Организация волокон в мозжечке, таким образом, геометрически более экономична, чем в коре большого мозга, и именно это является основой многих различий в локальных функциях этих двух структур. В то время как длинные волокна, проходящие через белое вещество полушарий большого мозга, позволяют колонкам нейронов коры мозга обрабатывать информацию, приходящую из участков мозга, отстоящих от колонок на расстояние в несколько сантиметров, и направлять ее дальше в расходящихся, сходящихся или реципрокных направлениях, более многочисленные параллельные волокна верхнего слоя мозжечковой коры (одно волокно приходится на каждую зернистую клетку) передают информацию в латеральном направлении на расстояние всего в несколько миллиметров до ближайших клеток Пуркинье, где происходит обработка и анализ информации.

Насекомоядные и приматы, как представляется, независимо друг от друга отошли от соответствующих предковых правил нейронного шкалирования и приобрели изменение, согласно которому произошло разобщение увеличения числа нейронов и увеличения среднего их размера, что наглядно показано на рис. 4.14. Это изменение подразумевает, что в ходе эволюции насекомоядных и приматов их мозговые структуры стали приобретать дополнительные нейроны без дальнейшего значимого увеличения их среднего размера. Отсутствие увеличения среднего размера нейронов в мозжечке насекомоядных и приматов позволяет предположить, что параллельные волокна в верхнем слое коры мозжечка передавали сигналы латерально на те же самые или меньшие расстояния у крупных и мелких приматов и насекомоядных, если клетки Пуркинье в более крупном мозжечке не становились меньше, в каковом случае параллельные волокна начали бы передавать сигналы на более длинные расстояния. Это последнее едва ли правдоподобно, однако; у некоторых видов млекопитающих, у которых были определены размеры клеток Пуркинье, происходит их увеличение по мере возрастания объема головного мозга[91]. Тем не менее самая важная находка состоит в том, что насекомоядные и приматы получают нейроны в мозжечок без увеличения среднего размера нейронов, а это указывает на то, что не существует единого пути построения более крупного мозжечка, как не существует и единственного пути построения более крупной коры.

Что значит быть приматом

Некоторые количественные данные показывают, насколько драматичными были последствия разрыва со старыми предковыми правилами формирования коры мозга для приматов. Как видно из рис. 4.15, самые мелкие приматы не слишком сильно отличаются числом нейронов от неприматов со сравнимой массой коры головного мозга, но чем больше становится мозговая кора примата, тем более явным становится преимущество перед другими животными, связанное с очень большим числом нейронов. Подобное численное превосходство над другими отрядами класса млекопитающих имеет место и в мозжечке приматов, а также и в остальных отделах головного мозга. Приматы имеют явное преимущество перед другими млекопитающими, оно заключается в резком повороте эволюционных событий, приведшем к более экономичному способу добавления дополнительных нейронов к мозгу – без массивного увеличения среднего размера нейронов, как это происходит у других млекопитающих.



Рис. 4.15. Масса коры головного мозга (в граммах) и число нейронов в миллионах (млн) или миллиардах (млрд) у неприматов и приматов разных видов согласно нашим исследованиям



Мы получили ответ на наш первый вопрос: все мозги устроены не одинаково. В частности, мозги приматов не развивались так, как они развивались у неприматов. Несмотря на то что у коровы и шимпанзе мозг имеет приблизительно одинаковую массу, у шимпанзе можно ожидать числа нейронов, вдвое превосходящего их число у коровы. Однако, на самом деле, у отдельных групп неприматов мозг тоже устроен по-разному. Хотя изложенные здесь правила нейронного шкалирования указывают на то, что у грызунов, насекомоядных, африканских зверей и парнокопытных наблюдаются одинаковые отношения между объемом мозговой коры и числом нейронов, позже мы обнаружили, что объем нейронов распределен по коре мозга разных видов животных с большей или меньшей плотностью. Это то же самое, как, например, можно намазать джем на большие или маленькие тосты густо или пожиже. Но это уже совсем другая история. Пока же мы обратимся к самому жгучему вопросу: как обстоят дела с нейронами у нас?

5. Замечательный, но не исключительный

Сравнение клеточного состава мозга большого числа видов млекопитающих животных показало, что не у всех животных мозг устроен одинаково. Два мозга одинакового размера не обязательно содержат одинаковое число нейронов, а больший мозг не всегда имеет больше нейронов, чем мозг меньшего размера. Такое может случиться, если один из экземпляров мозга принадлежит примату, ибо для приматов характерен путь формирования мозговой коры и мозжечка, который оказался более экономичным в отношении объема, так как отряд приматов отказался от казавшегося необходимым способа увеличения объема и массы мозга, согласно которому чем больше в мозге нейронов, тем они крупнее: из-за того что нейроны в мозговой коре и мозжечке перестали становиться крупнее по мере нарастания их численности, приматы обладают таким числом нейронов, какое невозможно было предполагать, исходя из размеров этих двух структур. Теперь мы все же займемся жгучим, самым главным вопросом: как выглядит мозг человека в сравнении с мозгом других животных?

Уже в 2006 году, зная правила нейронного шкалирования, мы могли выполнить некоторые предварительные вычисления. В нашем распоряжении были уравнения, связывающие число нейронов в мозге грызунов с его массой и с массой тела, поэтому мы уже могли оценить, что мозг грызуна, если бы он состоял из 100 миллиардов нейронов, как мозг человека, должен был весить больше 30 кг при массе тела более 80 тонн[92]. Другими словами, если бы мы были грызунами, то имели бы габариты синего кита и располагали немыслимо огромным мозгом, который рисковал расплющиться под собственной тяжестью. В сравнении с этой страшной картиной, тот факт, что мы можем носить наш вес на двух тонких ножках, ходить по грешной земле и иметь в голове мозг достаточно скромных размеров, уже создает впечатление нашей исключительности.

Однако сравнение человека с существом, каковым он не является, и сделанный на основании абсурдного умозаключения вывод о нашей исключительности не относятся к науке. Это сравнение лишь показывает то, что мы знали и до этого, а именно что мы – не грызуны. У нас нет гигантских резцов, мы лишены когтей, а наши глаза не находятся на боковых поверхностях головы. И даже несмотря на то, что мы относимся к группе животных, родственных грызунам больше, чем другим млекопитающим, мы все же ближе к животным нашей таксономической группы, животным, обладающим бинокулярным зрением, пятипалыми кистями с пальцами, снабженными ногтями и способными двигаться независимо друг от друга. Короче, мы – приматы.