Тайны мозга вашего ребенка

Затем клетки эмбриона начинают дифференцироваться для выполнения конкретных задач. Дифференциация происходит в несколько этапов: по мере того как задачи становятся все более специфическими, они и направляются все более четкими химическими сигналами.

На базовом уровне нейроны имеют много общего. Они получают химические сигналы посредством веществ, называемых нейротрансмиттерами, которые высвобождаются другими (специальными) нейронами. Когда молекулы нейротрансмиттера связываются с принимающими рецепторами на дендритах нейрона, возникают электрические и химические сигналы, которые могут распространяться по всему телу клетки. При достаточном количестве одновременных электрических сигналов тело клетки может генерировать электрический импульс, который используется для «общения» с другими нейронами.

Этот выходной сигнал нейрона, который называется биоэлектрическим потенциалом, передается по аксону – очень длинному и тонкому отростку нейрона, который тянется от тела нейрона, например расположенного в головном мозге, к своей цели (какому-то участку мозга или тела, например к пальцу на ноге). Каждый нейрон имеет один аксон, который часто ветвится для достижения многочисленных участков. Молекулы нейротрансмиттера находятся в специализированных локусах на концах аксонных ответвлений и высвобождаются при получении биоэлектрического импульса. Когда нейротрансмиттер связывается с рецепторами дендрита другого нейрона, тот возбуждается или подавляется – в зависимости от типа передаваемого нейротрансмиттера. Место соединения аксона передающего нейрона с дендритом принимающего нейрона называется синапсом.

Конечный этап дифференциации нервных клеток эмбриона часто зависит от взаимодействия нейронов в синапсах.

Глия (совокупность глиальных клеток) тоже принимает разные формы. Иногда глиальные клетки обволакивают проводящие аксоны, как своего рода изолирующая пластиковая оболочка электрического провода, и образуют слой под названием миелин, он способствует ускорению связи между нейронами. В других случаях глия обрамляет кровеносные сосуды и контролирует химические сигналы, поступающие в мозг и обратно. Глия также образует защитную систему мозга, обволакивая и удаляя инородные вещества и остатки отмирающих клеток. У эмбриона она тоже дифференцируется в соответствии с химическими сигналами, обычно немного позже, чем нейроны в тех же областях.

Практический совет: меньше стресса, меньше проблем

В следующий раз, когда вы начнете беспокоиться о своем будущем ребенке, спросите себя, необходимо ли подвергаться такому стрессу. Неврологи могут оценить последствия стресса, изучая его воздействие на лабораторных животных. Материнский стресс увеличивает риск возникновения разных проблем у младенцев, включая «волчью пасть», депрессивное поведение, повышенную восприимчивость к стрессу в зрелом возрасте (см. главу 26), а также гиперактивность и легкую отвлекаемость (см. главу 28). Гормоны стресса, высвобождаемые самкой животного, оказывают непосредственное воздействие на плод и уменьшают способность плаценты защищать его от этих гормонов в будущем.

Поскольку умышленно подвергать стрессу беременных женщин было бы по меньшей мере неэтично, большинство исследований на людях опирается на корреляции постфактум – менее надежные, чем эксперименты (см. врезку «Знаете ли вы? Почему эпидемиологию трудно интерпретировать»). Некоторые современные исследования тестировали детей, родившихся после того, как их матери пережили природные катастрофы во время беременности. Этот вид исследований приближается к этически допустимому разграничению женщин на группы, которые подвергались и не подвергались стрессу.

Ученые обратились к данным о тропических штормах и ураганах, которые обрушились на Луизиану между 1980 и 1995 годами, а затем вычислили, сколько детей с признаками аутизма в архивах системы здравоохранения штата находились в утробе матери во время одного из этих ураганов. Риск аутизма был значительно выше у детей, чьи матери подвергались подобному стрессу во время беременности, хотя большинство случаев аутизма скорее всего было обусловлено другими причинами (см. главу 27).

По научным стандартам это свидетельство является далеко не окончательным, но есть две причины считать, что это не простое совпадение. Во-первых, проявление аутизма было выше только у тех детей, чьи матери находились на 5-м или 6-м месяце беременности во время урагана. Это указывает на существование периода, когда воздействие стресса на плод имеет долговременные последствия (см. «Сензитивные периоды» в главе 5). Во-вторых, дети, чьи матери пережили более жестокий ураган, подвергались большему риску развития аутизма, чем те, чьи матери пережили менее сильный шторм. Исследование нужно будет продублировать, прежде чем мы сможем сделать окончательные выводы, но оно предполагает, что стресс во время беременности увеличивает риск аутизма.

Другие исследования дали сходные результаты. В ходе одного из них выяснилось, что дети, чьи матери испытали сильный стресс от снежного бурана во время беременности, имели более низкие показатели коэффициента интеллекта IQ и неразвитые языковые способности в возрасте пяти лет. Риск шизофрении выше у детей, чьи матери в первом триместре беременности пережили смерть близкого родственника или другую семейную трагедию. Дети, чьи матери пережили землетрясение во время беременности, с большей вероятностью страдали от депрессии или рождались с «волчьей пастью». Пока еще не ясно, может ли умеренный стресс, такой как общение с раздражительным начальником, привести к сходным проблемам. И покуда ведутся исследования, лучше следовать простому принципу: следует всегда находить время для отдыха и по мере возможности заботиться о себе во время беременности.

Первый этап процесса налаживания связей происходит до рождения, когда миллиарды нейронов протягивают аксоны (т.е. передающие волокна) по направлению к своим целям (другим участкам мозга или тела). К счастью, расстояния в теле эмбриона гораздо меньше, чем в организме взрослого человека. Также помогает то обстоятельство, что ткань мозга пока менее дифференцирована, чем впоследствии (аналогично, гораздо проще сделать электрическую проводку и проложить трубы в доме до возведения внутренних стен). Лишь самые ранние аксоны должны находить путь самостоятельно, двигаясь по химическим сигналам или отыскивая конкретные направляющие клетки. Более поздние аксоны движутся по тропам, проложенным этими «первопроходцами» (как если бы вы тянули новый провод через пучок ранее установленных проводов), за исключением того, что новый аксон фактически строится по мере своего движения. Пучок проводящих аксонов образует нервное волокно, или нерв.

В процессе формирования нервных путей участок на конце нарастающего аксона, называемый конусом роста, тестирует обстановку в разных направлениях, вытягивая и втягивая маленькие выступы, словно вынюхивая правильный путь. И принюхивается он не зря: специальные химические соединения могут притягивать или отталкивать конус роста. Некоторые даже могут резко изменять его реакцию на другие «молекулярные подсказки», образуя разновидность сложной навигационной логики.

Когда аксон, наконец, находит приблизительное место своего назначения в мозге или теле, он должен определить свои клетки-мишени среди миллионов других кандидатов.

Этот процесс начинается с молекулярных «указаний», которые дают аксону команду замедлить движение и приступить к исследованию области, границы которой могут быть отмечены репеллентными сигналами для предотвращения выхода аксона за ее пределы. Некоторые области мозга помогают движению аксона, предоставляя карту местности, в которой концентрация одного или нескольких химических сигналов последовательно уменьшается в пределах одного региона. В других областях используется большое количество связанных протеинов (т.е. белков), отмечающих местное положение, чтобы аксоны могли находить путь к нужным нейронам. Белки – это универсальные строительные кирпичики, состоящие из клеток, предназначенных для разнообразных функций. В данном случае функция заключается в том, чтобы сообщить аксону «ты находишься здесь».

Когда аксоны приближаются к месту своего назначения, они начинают вступать в контакт с соседними клетками, инициируя химическое взаимодействие, которое приводит к формированию синапсов. Этот процесс начинается в спинном мозге через 5 недель после оплодотворения и в некоторых областях мозга завершается лишь через несколько лет после рождения. Первоначально аксоны образуют массу дополнительных синапсов, цели для которых определены лишь приблизительно. В долгосрочной перспективе выживает только незначительная часть этих синапсов. Выживают синапсы, которые окажутся задействованными в работе. Такая борьба за выживание между синапсами обеспечивает тонкую настройку функций мозга в соответствии с индивидуальными обстоятельствами каждого ребенка, будь то адаптация реакции зрительных нейронов к расстоянию между глазами младенца или настройка слуховой коры для более быстрой реакции на звуки родного языка. В меньшем масштабе этот процесс продолжается в течение всей жизни как механизм обучения и запоминания (см. главу 21).

Процесс устранения ненужных компонентов становится доминирующим на ранней стадии развития. Мозг взрослого человека содержит около 100 млрд нейронов и гораздо больше глиальных клеток. Однако молодой мозг производит еще больше нервных клеток, а потом сокращает их количество в процессе запланированной гибели клеток. В некоторых отделах мозга этот процесс убивает до четырех из каждых пяти родившихся клеток. Такие события неврологи называют регрессивными, и они имеют жизненно важное значение для нормального развития.

Почему нервная система использует столь затратный подход? Судя по всему, это способ сопоставления растущего количества аксонов с количеством нейронов в данном участке мозга. Гибель «лишних» клеток происходит после того, как аксоны достигают своих целей и формируют синапсы. Нейроны-мишени вырабатывают протеин, необходимый для выживания клеток, который воспринимается ими через синапсы и переносится обратно по аксону в само тело исходного нейрона. Нейроны, которые не смогли образовать много связей со своими мишенями, не получают достаточного количества протеинов для своего выживания и умирают. Этот вид гибели клеток – активный процесс, он происходит путем биохимического саморазрушения. Наиболее известный из такого рода протеинов для выживания – нейротрофин. Он является фактором роста нервных клеток и контролирует выживание нейронов, отвечающих за чувство осязания и рефлекс периферической нервной системы «дерись или беги». На выживание клеток также влияют другие факторы, например активность синапсов и половых гормонов, которые контролируют гибель клеток в отделах мозга, обусловливающих различие между женщинами и мужчинами.

Даже после того, как все элементы клеточной структуры мозга оказываются на своих местах, строительная работа продолжается. Новорожденные нейроны кажутся очень простыми по сравнению со зрелыми нейронами. Ближе к концу созревания нейронов, обычно в первые два года жизни, дендриты формируют дополнительные отростки для взаимодействия с многочисленными новыми синапсами, которые появляются в течение этого периода. Устранение «лишних» синапсов начинается с первого года жизни и продолжается до ранней юности; это один из основных механизмов, благодаря которому восприятие способствует формированию мозга (см. главу 5).