Одно из первых наблюдений, которые сделал человек относительно своего мозга – его поверхность покрыта бороздами и извилинами. Преимущества очевидны: большая площадь помещается в меньшем пространстве. Но какие «силы» «сминают» кору в складки?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(27). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Борозды и извилины формируются корой головного мозга — телами нейронов, так называемым серым веществом, которое ответственно за наше мышление, действие, восприятие, эмоции. Если разгладить кору головного мозга человека, как основу для пиццы, её площадь будет в несколько раз больше, чем внутренняя поверхность черепной коробки. Кора млекопитающих с крупным мозгом по мере эволюции разрасталась значительно быстрее, чем череп. Мозг человека увеличивался в размерах, чтобы вместить функции, которые отличают нас от животных. 

Складки — это единственный способ уместить развитую кору в ограниченном пространстве черепной коробки. У мышей и крыс мозг относительно гладкий, тогда как млекопитающие с крупным мозгом, например, человекообразные обезьяны или собаки, тоже обладают складчатой корой; причём, у каждого вида свой рисунок. То есть складки, образующиеся на коре, не случайны, как это бывает на скомканном листе бумаги — рисунок относительно постоянен. И хотя функциональное значение складчатости вполне очевидно, механизмы, которые определяют её появление, долгое время оставались загадкой.

В 1997 году нейробиолог Дэвид Ван Эссен из Университета Вашингтона опубликовал в журнале Nature следующую гипотезу. Он предположил, что нервные волокна, связывающие разные области коры головного мозга для обмена информацией между ними, создают натяжение. Это натяжение отталкивает и притягивает друг к другу участки ткани. Именно этот процесс формирует извилины в первые несколько месяцев внутриутробного развития. В зонах активного роста между клетками образуется больше связей, соответственно, сильнее натяжение и интенсивнее формирование складок.

Предыдущие исследования показали, что складывание коры у всех видов млекопитающих соответствует универсальному закону — независимо от размера и формы, в их основе лежат одни закономерности. Вооружившись этой теорией, учёные даже вывели формулу, которая позволяет узнать соотношение между толщиной коры, площадью её наружной стороны и общей площадью поверхности.

Чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию, а также определиться с возрастными и иными особенностями, учёные из Великобритании и Бразилии проанализировали 1000 разных МРТ-снимков и составили карты складчатости. Оказалось, Ван Эссен действительно был прав. Более того, натяжение между нервными клетками снижалось с возрастом и при нейродегенеративных заболеваниях (болезнях Альцгеймера, Паркинсона). Возможно, когда исследователи наберут больше данных, этот показатель поможет в ранней диагностике этих заболеваний.

Серое вещество коры мозга в основном состоит из нервных клеток. И именно их число, размер и положение заставляют кору расти и расширяться более интенсивно, чем расположенное более глубоко белое вещество. Это приводит к сжатию коры, делает её подвижной и заставляет локально изгибаться.

Чтобы это увидеть, гарвардские учёные из школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) совместно с коллегами из Франции и Финляндии создали модель мозга эмбриона на 22‑й неделе развития — складчатость поверхности мозга появляется именно в этот период. Они напечатали на 3D-принтере нечто похожее на маленький гладкий мозг из силиконового полимера, который стал аналогом белого вещества, а сверху нанесли тонкий слой гелеобразного вещества — эластомерного полидиметилсилоксана (PDMS), похожего по свойствам на серое вещество. Для имитации расширения коры в процессе роста модель погрузили в органический растворитель, в котором «мозг» быстро набух, благодаря слою геля. В течение 20–30 минут после погружения на искусственном мозге появились складки, похожие на извилины настоящего мозга. Рисунок многократно воспроизводился в эксперименте — получался не только присутствующий у всех рельеф извилин, но и индивидуальный рисунок.

Сходство с настоящим мозгом удивило даже учёных. Самые большие борозды на «мозге» напоминали борозды, которые появляются у плода на 5‑м месяце (центральная и поперечно-затылочная), на 6‑м месяце (некоторые лобные и височные) и далее по календарю. Источник: Tuomas Tallinen et al.

Если дело только в давлении ограниченного пространства на ткань, то почему же у некоторых животных — например, у столь любимых учёными мышей и крыс — мозг остаётся гладким всю жизнь? Исследователи из Института нейробиологии общества Макса Планка, Мюнхенского кластера системной неврологии в Германии и Университета Мигеля Фернандеса в Испании нашли ответ. Оказалось, дело в специфических белках «слипания».

Клетки базального, самого нижнего слоя, который контактирует с белым веществом, мигрируют в процессе развития. У мышей в мембранах этих клеток нашли специальный белок FLRT, который фиксирует мембраны ближних нейронов. Исследователи обнаружили, что корковые нейроны людей и некоторых животных (например, хорьков) — головной мозг которых тоже имеет извилины — почти не производят FLRT. Чтобы доказать это, учёные «отключили» у мышей гены, отвечающие за синтез разных типов белка FLRT. На гладкой от природы коре мышат-эмбрионов появились микроскопические складки! Лишившись вещества, которое удерживало клетки рядом, нейроны свободно перемещались и формировали скопления или кластеры, создавая уникальный рисунок на поверхности.

На фотографии кора мозга мыши, которая образовала складки, соответствующие структурам головного мозга человека. Нейроны промаркированы соответственно расположению: зелёный — наружный слой, красный — более глубокие слои, синий — остальные клетки. Источник: Rüdiger Klein et al, Cell, 2017.

И напоследок нужно разрешить ещё один спор: умнее ли тот, у кого извилин больше? Правильный ответ — нет. «В выигрыше» останется тот, кто постоянно учится, осваивает новые навыки и не ленится тренировать свой ум — потому что всё решает количество нейронных связей. Но это совсем другая история.