«У меня мозг сломался!» Почему так бывает и как его починить? Объясняет — когнитивный невролог

Мозг родился

С чего началась ваша жизнь? Клетка, похожая на головастика, наткнулась на матовую стенку яйцеклетки и пробралась внутрь. Оплодотворенная яйцеклетка, ставшая эмбрионом, стянула сама себя посередине и разделилась на две. Две клетки превратились в четыре, четыре — в восемь, и так далее до тех пор, пока не произошло нечто совершенно удивительное: вместо того чтобы оставаться одинаковыми, клетки взяли на себя разные роли.

Одни клетки отправились на границу, чтобы стать кожей. Другие начали вырабатывать гормоны, способные вызывать у вас сонливость, чувство голода или заставлять вас нервничать. Из третьих получились мышцы, способные управлять костями вашего растущего скелета. Тот орган, который определяет вашу личность, делает вас тем, кто вы есть, зародился в эмбрионе в виде небольшого плоского скопления клеток, способного уместиться на кончике карандаша. Всего за несколько дней на ранней стадии развития эмбриона этот пласт клеток свернулся в длинную трубку. Один ее конец вытянулся и сформировал ваш спинной мозг, а другой — распустился, как цветок, и стал тем самым мозгом, с помощью которого вы сейчас читаете эти строки.

Прямо над вашими глазами образовались нейроны, позволяющие вам контролировать импульсы. Нейроны, находящиеся по бокам вашего мозга, научились понимать языки и музыку. Те нейроны, которые ближе к макушке, стали экспертами в сфере арифметики и принятия решений. Под ними находится группа нейронов, которые сортируют зрительную информацию, поступающую из задней части ваших глазных яблок.

И вуаля! Вы стали обладателем самого сложного механизма, известного человечеству. Ваш мозг содержит более 86 миллиардов нейронов, он крупнее, чем мозг любого другого примата, и способен вместить больше данных, чем самый современный смартфон. Отдельные части нашего мозга настолько сложны, что окончательно формируются ближе к 25 годам.

И все же...

Молекулы добра и зла

У нашего мозга есть своя ахиллесова пята. Молекулы, которые заставляют его работать, могут также изменить нашу личность и лишить нас способности думать. Темперамент, память, отношение к реальности — все это мы можем проиграть молекулам, которые в миллиарды раз меньше нашего мозга. Люди тысячелетиями увлекались историями о партизанских войнах, но мало кто из нас осознаёт, что наш собственный мозг ежедневно оказывается вовлеченным в такого рода конфликт. Мы выживаем, балансируя на грани, в сражении с молекулами, способными уничтожить наш разум.

Слово «молекула» звучит угрожающе, однако имеет очень простое значение: молекула — это группа атомов, связанных между собой. Полагаю, вы знакомы с такими атомами, как кислород, углерод и водород. Несколько атомов, соединенных в единую структуру, и есть молекула.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, поэтому она обозначается Н2О. Тиамин — другая молекула, которая будет играть важную роль в этой книге, — тоже состоит из атомов водорода и кислорода, но помимо них содержит еще атомы углерода, азота и серы. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это огромная нитевидная молекула, состоящая из тех же атомов, что и тиамин, только без серы и с добавлением фосфора.

Все эти молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть в обычный микроскоп. В стакане воды содержится септиллион молекул воды — это больше, чем все население Земли, умноженное на триллион. В одной песчинке молекул больше, чем насекомых на нашей планете. Даже молекула ДНК, самая крупная в теле человека, настолько мала, что только в 2012 году с помощью специального микроскопа ученым удалось детально рассмотреть ее структуру.

Однако по размеру молекулы нельзя судить о ее способности подчинить себе разум. Эта книга о молекулах-злодеях, которые в миллионы раз меньше, чем мозг, но при этом способны ловко перехватывать управление его функциями. О каждой из них написано множество научных трудов, но я предпочитаю думать о них просто как о мутантах, бунтарях, захватчиках и уклонистах.

Мутанты — это измененные последовательности ДНК. Если рассматривать молекулу ДНК как гигантский трехмерный компьютерный код, то мутанты — это маленькие ошибки, приводящие систему к саморазрушению. Как вы узнаете из первых глав этой книги, мутанты способны вызывать смертельные когнитивные расстройства у поколения за поко- лением — приговор, который мы, вероятно, скоро сможем смягчить благодаря нескольким потрясающим открытиям в разных областях неврологии.

Бунтари — это аномальные белки. В обычных условиях белки — это невероятно способные молекулы, которые выполняют распоряжения ДНК. Если вернуться к сравнению ДНК с компьютерным кодом, то молекулы белка — это люди и инфраструктура, приводящие этот код в действие, как машинисты, которые ведут поезда по расписанию, разработанному неким алгоритмом. Но молекулы белка могут и восстать против нас, выбрав в качестве мишени наш мозг, что способно очень быстро привести к серьезному поражению. Взбунтовавшиеся молекулы белка провоцируют галлюцинации, вспышки гнева и провалы в состояние жалкого слабоумия — с этими явлениями вы подробно познакомитесь во второй части книги.

И наконец, существуют так называемые малые молекулы, намного меньше ДНК или белков, способные проникать в наш мозг, когда не надо, и, напротив, отсутствовать в тот момент, когда они нам нужны. Если вернуться к примеру с поездом, то малые молекулы можно рассматривать или как препятствия, блокирующие рельсы (захватчики), или как топливо, без которого поезд не сдвинется с места (уклонисты). В последних главах этой книги вы узнаете, как эти маленькие захватчики и уклонисты доводят нас до белого каления, делают лжецами или незаметно, исподволь, подводят к состоянию резкого помутнения сознания.

Те персонажи и головоломки, с которыми вы встретитесь на страницах этой книги, — не просто описание каких-то научных курьезов. В этих историях изложены основы самого удивительного передового направления современной когнитивной неврологии. Изучение молекул, подчиняющих себе наш разум, поможет в будущем найти способ лечения болезни Альцгеймера и других распространенных заболеваний мозга.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль и нервная система

За последние 25 лет произошла настоящая революция в области лечения рака, потому что ученым удалось отыскать причину возникновения онкологических заболеваний на молекулярном уровне и молекулярное лечение. Таким же образом молекулярная неврология поможет найти лекарства от распространенных когнитивных расстройств, представляющих страшную угрозу для нашего мозга. Исследователи, разгадавшие загадки, которые раскроются перед вами на следующих страницах, подготовили почву для того, чтобы неврология последовала по пути онкологии. Благодаря этим неординарным ученым и врачам, преданным своему делу, несмотря на критику и непонимание, когнитивная неврология оказалась там, где она сейчас находится, — на пороге молекулярного прорыва.

В конце 1880-х, в эпоху Алоиса Альцгеймера и Арнольда Пика, молодой испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль сделал одно замечательное открытие. Рамон-и-Кахаль не был похож на того, кто способен произвести революцию в только зарождавшейся тогда нейробиологии. Его отец, довольно властный человек, занимался анатомией. При этом маленький Сантьяго не слишком считался с правилами, за что частенько подвергался наказанию. В 10 лет он угодил в тюрьму за то, что смастерил самодельную пушку и разгромил из нее имущество соседа. Поучившись и парикмахерскому, и сапожному делу (и ту и другую работу он выполнял через силу, мечтая о чем-то совсем другом), он стал ездить с отцом на кладбища собирать человеческие кости для изучения. В темноте, среди могильных плит, Сантьяго Рамон-и-Кахаль влюбился в анатомию. Потратив годы на обучение, он стал профессором в Барселоне, где и наткнулся на любопытную находку.

До тех пор большинство ученых считало, что нервная система — это нечто единое и неразрывное. Эта идея была не лишена здравого смысла, поскольку именно физическая неразрывность наиболее очевидным способом объясняла способность нервов мозга управлять пальцами рук и ног, находящихся от него на таком большом расстоянии. Логично было предположить, что все связано. Имелись даже микроскопические подтверждения этого — на детальных изображениях нервов не было видно четких разрывов между нервными волокнами. Эксперименты показали, что все остальное тело состоит из отдельных клеток, но нервную систему считали исключением и рассматривали ее как единую структуру, похожую на сеть.

Но это было не так. В 1888 году Рамон-и-Кахаль нарезал тонкими слоями имевшиеся у него образцы птичьего мозга и пропитал их раствором, содержащим серебро, который окрасил нервные волокна в черный цвет. Под микроскопом он не обнаружил в этих образцах той неразрывной сетевидной структуры, которую ожидал увидеть. Напротив, клетки имели четкие границы. Они примыкали друг к другу, но не были единым целым.

Заподозрив, что нервная система человека тоже может состоять из отдельных клеток, Рамон-и-Кахаль обратил микроскоп на образцы мозга представителей своего вида. Здесь он заметил тот же феномен, что и в образцах мозга птиц. Человеческая нервная система, как и все остальное тело, состояла из отдельных частей. Ее составляли нейроны.

Воодушевленный открытием, Рамон-и-Кахаль сделал копии своих наблюдений, чтобы поделиться ими с другими учеными. Печатные работы стоили так дорого, что ему пришлось на целый год отказаться от няни для своих пятерых детей. Уверенный, что его достижение высоко оценят, он разослал монографии исследователям в разные части света.

Однако его надежды не оправдались. Научное сообщество практически не отреагировало на его послания. Видя такой слабый отклик, Рамон-и-Кахаль начал сомневаться в себе и думать, что коллеги считают его мошенником. Он очень переживал, что написал статьи на испанском языке, которым, как он теперь понимал, его аудитория в большинстве своем не владела. В конце концов он решил, что все дело в расстоянии. Если он хочет убедить ученых в том, что основное положение нейробиологии ошибочно, он должен говорить с ними лично. Нужно заставить их увидеть доказательства собственными глазами.

В 1889 году Рамон-и-Кахаль упаковал свой микроскоп и предметные стекла и отправился на конференцию в Берлин. Лекции, предусмотренные программой, он практически не посещал, вместо этого устроив демонстрацию того, что обнаружил в лаборатории. На столе он установил микроскопы — свой и еще несколько предоставленных организаторами — и под каждую линзу поместил предметные стекла с тканями мозга, подкрашенными раствором серебра.

Эта экспозиция, вначале привлекшая внимание лишь нескольких скептиков, вскоре вызвала положительную реакцию публики. Все больше и больше посетителей выстраивалось в очередь, чтобы увидеть крошечные изображения, которые к концу конференции уже вызывали восхищение у самых прославленных профессоров нейроанатомии. Весь мир — или по крайней мере та его часть, что имела какой-то вес в академических кругах, — заинтересовался этой идеей. В последующие годы участники конференции в Берлине, вернувшись в свои лаборатории, пересмотрели работу Рамон- и-Кахаля и подтвердили его выводы. За редким исключением, все убедились в его правоте. И в 1906 году Рамон-и-Кахаль получил Нобелевскую премию.

Отто Лёви и нейромедиаторы

Вскоре ученые осознали, что новая модель нервной системы поставила перед ними и новую фундаментальную задачу. Если нервы состоят из отдельных клеток, то у этих клеток должен быть какой-то способ взаимодействия. Они должны общаться. В ходе некоторых экспериментов было замечено, что нейроны почти соприкасаются друг с другом, их разделяет всего несколько нанометров — расстояние, которое легко может преодолеть электрический сигнал. Однако в других случаях между окончанием нейрона и нача- лом клетки, которой он передает информацию, оставался разрыв в 40 нанометров, и это сбивало с толку. Ученые понимали, что у нейронов должен быть какой-то способ передавать сообщения через эту пустоту, но никто не знал, как именно это происходит.

Решение нашел немецкий невролог Отто Лёви. От него, как и от Рамон-и-Кахаля, никто не ожидал научных прорывов. С детства он был увлечен искусством и только под давлением отца начал заниматься медициной. К концу обучения в докторантуре ему пришлось посещать дополнительные курсы для отстающих, поскольку вместо обязательных занятий по изучению человеческого тела он ходил на лекции по истории искусств.

Спустя годы Лёви будет рассказывать, что решение загадки нейронов пришло ему во сне одной мартовской ночью 1921 года. Он схватил ручку, быстро записал свою идею на клочке бумаги, снова укутался одеялом и уснул. Когда взошло солнце, он посмотрел на эту записку и понял, что не может разобрать собственный почерк. Открытие было утрачено.

Эта же мысль посетила его на следующий день, около трех часов утра. Полный решимости не упустить ее, Лёви оделся и в свете утренней зари отправился в лабораторию. Там в течение следующих двух дней он сделал самое важное открытие в своей научной карьере. Лёви уже давно подозревал, что нейроны могут обмениваться информацией, посылая и улавливая молекулы- посредники, но до того момента не мог доказать, что такие молекулы действительно существуют. Ночное озарение, впоследствии сделавшее его знаменитым, заключалось в простом эксперименте, который окончательно подтвердил его правоту. Когда взошло солнце, Лёви уже лихорадочно работал. Он изолировал два бьющихся лягушачьих сердца, одно из которых было соединено с нервом, а другое нет. Первое он поместил в контейнер с жидкостью и стимулировал нерв до тех пор, пока лягушачье сердце не стало биться медленнее. Затем он взял жидкость из этого контейнера и добавил ее в контейнер, где находилось другое сердце. Когда второе сердце пропиталось этой жидкостью, частота его сокращений также уменьшилась. Молекулы из раствора от одного сердца изменили работу другого. Лёви был прав в своем предположении: сигнальные молекулы действительно существовали. За это открытие он, как и Рамон-и-Кахаль, получил Нобелевскую премию.

В последующие годы молекулы, выпускаемые нейронами, получили название нейромедиаторов. Эти молекулы, к числу которых относятся адреналин, дофамин и серотонин, стали одними из самых популярных элементов человеческого тела. Им посвящены тысячи научных статей и множество популярных книг. Их названия вошли в повседневную речь. Оказалось, что в способности расслабляться решающую роль играет самый маленький нейромедиатор, молекула под названием глицин. Именно благодаря глицину мы можем в конце дня сбросить с плеч напряжение и положить голову на подушку. Для наших нейронов выброс глицина — это как чай с ромашкой или успокоительное.