Синаптический прунинг
Уничтожение определенных синапсов совершенно необходимо для развития нервной системы, равно как и для нормальной деятельности зрелого мозга: он не только всю свою жизнь создает новые связи, но и разрушает старые. Такая «подрезка» (или прунинг) чрезвычайно важна для процессов обучения и памяти; недавние исследования обнаружили поразительный механизм прунинга.
Образование и поддержание синаптических связей необходимы для нормального развития нервной системы. Мозг эмбриона производит громадное множество незрелых нервных клеток, которые потом обрастают аксонами и дендритами, что ветвятся и формируют затейливую сеть связей с другими клетками. Поначалу мозг создает больше связей, чем ему на самом деле требуется, после чего обрывает избыточные или неправильно сформировавшиеся синапсы, таким образом, совершенствуя и развивая нейронные пути.
Но и этим дело не заканчивается: мозг продолжает формировать, видоизменять и уничтожать синапсы всю нашу жизнь. Ныне это уже общее место: обучение и память обусловлены усилением и ослаблением синаптических связей внутри нейронных сетей, а также и уничтожением синапсов. Прунинг синаптических связей в мозге, таким образом, — необходимый процесс деятельности зрелого мозга.
Обрезаем с умом
Исследования образования и разрушения синапсов в основном производят на препаратах нейромышечного синапса, состоящего из терминали спинномозгового двигательного нейрона и мышечной клетки, с которой он формирует соединение. Во время развития аксоны двигательного нейрона отрастают из спинного мозга и по мере приближения к целевой мышце ветвятся и образуют незрелые синапсы с множеством мышечных клеток, и каждая поначалу контактирует с многими аксонами разом. По мере развития, однако, большинство синапсов устраняется, и у мышечной клетки остается лишь один синапс.
Синаптический прунинг происходит повсеместно и в развивающемся мозге; один из наиболее известных примеров — зрительная система. В зрелой зрительной коре клетки образуют так называемые глазодоминантные колонки, получающие попеременно сигналы то от левого, то от правого глаза. Сначала нейроны, прорастающие в зрительную кору, образуют синапсы более-менее как попало, и соседние глазодоминантные колонки получают сигналы от обоих глаз. По мере развития многие синапсы прерываются, и формируется чередующаяся последовательность восприятия колонками. Этот процесс отчасти зависит от зрительного опыта — он тонко подстраивает зрительные нейронные пути и направляет должное образование синапсов.
«Обретая опыт, мозг из всей этой прорвы возможностей отбирает лишь очень маленькое подмножество» Джефф Лихтмен, американский нейробиолог, молекулярный биолог (2012)
Во время развития мозга синаптические связи разрываются во множестве. В зрительной коре кошек, например, между первой и пятой неделей после рождения происходит стремительное развитие, вслед за которым многочисленные синапсы уничтожаются — синаптическая плотность падает примерно на 40%.
У обезьян пик синаптической плотности приходится на возраст между вторым и третьим месяцем, а затем, примерно со второго года после рождения, синаптическая плотность начинает быстро снижаться — в первичной зрительной коре между вторым и третьим с половиной годом жизни ежесекундно исчезает около 2 500 синапсов.
Похожие закономерности наблюдаются и в мозге человека. При рождении плотность синапсов в зрительной коре близка к той, что наблюдается у взрослых, но между вторым и четвертым месяцем она принимается быстро расти, достигая пика между восьмым и двенадцатым месяцем, когда количество синапсов достигает примерно 60% той, что есть у взрослых. В других участках мозга уничтожение синапсов продолжается гораздо дольше. Человеческий мозг дорастает до своего полного размера примерно к десяти годам, и до недавнего времени считалось, что тогда же он достигает и полноты развития. Однако несколько лет назад исследователи произвели поразительное открытие: префронтальная кора продолжает развиваться до конца третьего десятка лет человеческой жизни. В этой области синаптический прунинг происходит все отрочество и далее и совершенно необходим для тонкой подстройки нейронных цепей, занятых в принятии решений и выполнении других сложных задач.
Уборка
Для объяснения устранения нежелательных синапсов было предложено множество различных механизмов. Один, наблюдаемый у плодовых мушек, — аксональное отмирание: неиспользуемые нервные волокна чахнут и отсыхают. У млекопитающих, включая людей, замечены другие механизмы. Соперничество за вещества, поддерживающие рост, считают одним из важнейших. В некоторых частях мозга и в нейромышечных соединениях растущие аксоны соперничают за конечное количество факторов роста: с теми, кто получает вещество-сигнал роста, связь поддерживается, а с не получающими связь отмирает. Аксоны, не получающие вещество-сигнал, могут втянуться в клеточное тело, где разрушаются и перерабатываются. Ускоренная съемка образования нейромышечной связи показывает, что аксоны могут по ходу втягивания в мышцу сбрасывать кое-какие свои части. Сброшенный материал усваивают близлежащие шванновские клетки.
За последние несколько лет набралось немало подтверждений, что клетки микроглии играют важную роль в синаптическом прунинге. Микроглия — иммунные клетки мозга, осуществляющие функции уборщиков. Они патрулируют мозг, постоянно вытягивая и втягивая похожие на пальчики отростки и проверяя другие клетки мозга на невредимость. Они улавливают сигнал бедствия от поврежденных или умирающих нейронов и отвечают на него, перемещаясь к месту аварии и прибирая весь клеточный сор, какой обнаружат. Микроглия к тому же — первая линия обороны от внешних вторжений: они обнаруживают и уничтожают микробы, проникающие в мозг.
Оказывается, микроглиальные клетки пожирают нежелательные синапсы, словно те — клеточные отходы или микробы. Пока этот процесс наблюдали только в зрительной коре и гиппокампе мышей; тот же механизм, возможно, действует и в других областях мозга или во всем мозге вообще. Как именно микроглиальные клетки определяют ненужные синапсы, пока, однако, неясно.
Доступное соединение
Нейромышечный синапс гораздо более доступен, чем меньшие по размеру и гораздо более плотно скученные нейроны серого вещества мозга, и поэтому любим исследователями, изучающими рождение и уничтожение синапсов. В этой структуре аксоны спинномозговых двигательных нейронов смыкаются с мышечными клетками и выделяют нейромедиатор ацетилхолин, стимулирующий мышечное сокращение. Изначально с каждой мышечной клеткой устанавливает связь множество аксонов, однако по мере развития большинство аксонов обрезается, пока не останется один. Судя по всему, механизм этого обрезания связей — соревновательного свойства: аксоны борются за место у мышечной клетки. Исследователи недавно разработали методику устранения одного из двух аксонов, протянутых к одной и той же мышечной клетке. В этой ситуации один аксон обычно втягивается прочь от мышцы. Ученые, однако, обнаружили, что уничтожение одного аксона вызвало повторный рост к мышце других втягивающихся аксонов — они устремлялись занять опустевшее место.