Как появляются извилины, и почему мы не похожи на Мегамозга

Мозг – то самое место, где складки не просто не страшны, а даже необходимы. Благодаря бороздам площадь коры полушарий у человека становится втрое больше, чем была бы, если бы мозг был гладким. Зачем мыслительному органу быть похожим на грецкий орех, как он таким становится и причем здесь болезнь Альцгеймера? Именно об этом работа коллектива ученых, опубликованная в PNAS.

Зачем нам вообще все эти борозды и извилины? Благодаря пресловутым складкам мы экономим пространство внутри черепной коробки, увеличивая площадь «рабочей поверхности». Ведь именно кора полушарий – это то самое серое вещество, где находятся тела нервных клеток. А если бы складок не было, мозг был бы раза в три больше – эдакий «Мегамозг» в реальной жизни.

Предыдущие исследования показали: формирование борозд и извилин у млекопитающих происходит по одному механизму в ходе физической самоорганизации (мы писали об экспериментальной работе по этой теме: можно даже посмотреть видео появления извилин). В 1997 году нейробиолог Дэвид Ван Эссен из Университета Вашингтона в Сент-Луисе опубликовал в Nature статью, где предположил, что нейроны не просто обмениваются информацией, но и могут создавать натяжение. То есть, клетки могут притягиваться и отталкиваться. Он считал, что в первые полгода внутриутробного развития человека нейроны на основе таких взаимодействий формируют кору головного мозга именно такой, как мы привыкли ее видеть. Где сигналы интенсивнее – там связей между клетками образуется больше. А значит, натяжение сильнее. Из-за этого натяжения между аксонами нейронов как раз формируются складки.

На основании этой теории даже вывели специальную формулу, по которой можно рассчитать соотношение между толщиной слоя, площадью наружной области коры и общей площадью ее поверхности. Вот только эта закономерность выведена для млекопитающих в целом. А как оценить особенности внутри вида и в зависимости от пола, возраста и индивидуальных особенностей?

Над этим и корпели исследователи. Ученые из университета Ньюкасла (Великобритания) и Университета Рио-де-Жанейро (Бразилия) решили разобраться, как именно происходит формирование извилин мозга человека и какие изменения возникают с возрастом. Они собрали данные МРТ мозга 1000 человек. Составив карты складчатости, они показали, что мозг действительно формируется согласно простому универсальному закону, описанному выше. Причем параметр этого закона – натяжение внутри коры – снижается с возрастом. Такое ослабление связей свойственно и при нейродегенеративных заболеваниях. Таких, как болезнь Альцгеймера.

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

А что там с гендерными различиями? Оказалось, что у мужчин кора полушарий более складчатая, чем у женщин того же возраста, да и ее площадь в зависимости от пола отличается. Но ученые утверждают, что различия невелики. А вот механизмы образования складок и их изменения с возрастом однообразны и для мужчин, и для женщин. Так, с возрастом у здоровых людей меняется изогнутость и наклон извилин. А при болезни Альцгеймера изогнутость сразу ниже, чем у здоровых людей, и долго остается на таком уровне, зато наклон меняется. Это может означать, что болезнь  Альцгеймера связана с механизмами старения.

Интересно, что через четыре года после той статьи, которую мы сегодня разбирали, появилась публикация, в которой доказывается важность «сливания» клеток в организации извилин.

Текст: Любовь Пушкарская

Universality in human cortical folding in health and disease by Yujiang Wanga, Joe Necusb, Marcus Kaisera and Bruno Motac in PNAS. Published September 13, 2016.

doi: 10.1073/pnas.1610175113