Сифилис - Лечение кожи

Мутантские хорьки проливают свет на эволюцию мозга человека

От реакции клетки — к многоклеточному организму

Наиболее древнее свойство нервной системы простейших живых существ — способность распространять информацию о контакте с внешним миром с одной клетки на весь многоклеточный организм. Самое первое преимущество, которое дала такая примитивная нервная система многоклеточным, — это способность реагировать на внешние воздействия так же быстро, как простейшие одноклеточные.

У животных, прикрепленных к конкретному месту, — актиний, асцидий, малоподвижных моллюсков с крупными раковинами, коралловых полипов — несложные задачи: фильтрация воды и захват проплывающей мимо пищи.

Поэтому нервная система таких малоподвижных организмов по сравнению с нервной системой активных животных устроена очень просто. Она в основном представляет собой небольшое окологлоточное нервное кольцо с совокупностью примитивных рефлексов.

Свободноживущим кишечнополостным требуется более обширная нервная сеть. У них нервная система распределена почти равномерно по всему телу или по большей его части (исключение составляют скопления нервных клеток у подошвы и в области окологлоточного кольца), что обеспечивает быструю согласованную реакцию всего организма на раздражители.

Равномерно распределенную нервную систему обычно называют диффузной. На различные воздействия организм таких живых существ откликается быстро, но неспецифически, то есть однотипно. Например, пресноводная гидра при любых информационных сигналах — если качнуть лист, на котором она сидит, прикоснуться к ней щетинкой или вызвать движение воды — реагирует одинаковым образом — сжимается.

Поиск генов когнитивных способностей

Одна из черт, которую оказалось сложнее определить, это когнитивные способности. Хотя исследователи знают, что интеллект действительно содержит наследственный генетический компонент, найти свой дом в генетическом кодексе было непросто.

Предыдущие исследования, которые предпринимали определенные усилия для того, чтобы разобраться в сути этой проблемы, не дали четких результатов. Поскольку когнитивные способности, вероятно, будут распределены по нескольким участкам генома, недостаточный размер выборки является одной из причин, по которым предыдущие исследования не увенчались успехом.

Одно из этих предыдущих исследований, в котором приняли участие всего несколько тысяч человек, было проведено доктором философии Тоддом Ленцем и опубликовано в прошлом году. Его команда смогла идентифицировать лишь несколько генетических локусов, связанных с когнитивными способностями.

Ленцц решил по-другому взглянуть на эту проблему, возглавив исследовательскую группу из Института медицинских исследований имени Файнштейна в Манхассете, штат Нью-Йорк. На этот раз было завербовано 107 207 человек, из которых все прошли нейропсихологическую экспертизу. Их геномы также были проверены.

Затем результаты сравнивались с другой базой данных, в которой содержатся геномные данные 300 000 человек и в которой также отмечен наивысший уровень образования. Это считается относительно надежной оценкой когнитивных способностей.

На этот раз было собрано больше деталей, по словам авторов, они «смогли идентифицировать 70 геномических локусов, в значительной степени связанных с познанием, подразумевая 350 генов-кандидатов, лежащих в основе когнитивных способностей».

Результаты были опубликованы на этой неделе в журнале Cell Reports.

От реакции клетки — к многоклеточному организму

Следующим этапом в эволюции нервной системы стало появление нового качества — упреждающей адаптации. Это означает, что организм успевает подготовиться к изменению окружающей среды заранее, до непосредственного контакта с раздражителем.

Для этого природа создала огромное разнообразие органов чувств, в основе работы которых лежат три механизма: химическая, физическая и электромагнитная чувствительность мембраны нервной клетки.

Химическая чувствительность может быть представлена обонянием и контактным органом вкуса, осморецептором и рецептором парциального давления кислорода. Механочувствительность реализуется в виде слуха, органов боковой линии, грави- и терморецепторов.

Чувствительность к электромагнитным волнам обусловлена наличием рецепторов внешних или собственных полей, светочувствительностью либо способностью воспринимать магнитные поля планеты и Солнца.

Три типа чувствительности в процессе эволюции выделились в специализированные органы, что неизбежно привело к повышению направленной чувствительности организма. Рецепторы сенсорных органов приобрели возможность воспринимать различные воздействия на расстоянии.

В процессе эволюции органы чувств возникли у нематод, свободноживущих плоских и круглых червей, кишечнополостных, иглокожих и многих других примитивных живых существ. Такая организация нервной системы в стабильной среде вполне оправдывает себя.

Животное недорогой ценой приобретает высокие адаптивные возможности. До тех пор, пока нет внешнего стимула, нервная система «молчит» и не требует особых расходов на свое содержание. Как только ситуация меняется, она воспринимает это органами чувств и отвечает направленной активностью эффекторных органов.

Однако с появлением упреждающей адаптации у живых существ возникли проблемы.

Во-первых, одни сигналы идут от фоторецепторов, другие — от хеморецепторов, а третьи — от рецепторов электромагнитного излучения. Как сравнить столь разнородную информацию? Сопоставить сигналы можно только при их однотипной кодировке.

Универсальным кодом, позволяющим сравнивать сигналы из разных органов чувств, стал электрохимический импульс, генерирующийся в нейронах в ответ на информацию, полученную от органов чувств. Он передается с одной нервной клетки на другую за счет изменения концентрации заряженных ионов по обе стороны клеточной мембраны.

Во-вторых, сигналы от разных органов чувств должны прийти в одно и то же место, где их можно было бы сравнить, и не просто сравнить, а выбрать самый важный на данный момент, который и станет побуждением к действию.

Это реально осуществить в таком устройстве, где были бы представлены все органы чувств. Для сравнения сигналов от разных органов чувств необходимо скопление тел нервных клеток, которые отвечают за восприятие информации различной природы.

Такие скопления, называемые ганглиями или узлами, появляются у беспозвоночных. В узлах располагаются чувствительные нейроны или их отростки, что позволяет клеткам получать информацию с периферии тела.

ПОДРОБНЕЕ ПРО:  Тенотен отзывы людей после применения от депрессии

Но вся эта система бесполезна без управления ответами на сигналы — сокращением или расслаблением мышц, выбросом различных физиологически активных веществ. Для осуществления функций как сравнения, так и управления у хордовых возникает головной и спинной мозг.

Новые и интригующие совпадения.

Удаление и мутации в некоторых локусах, выявленные группой, уже были связаны с определенными нейропсихиатрическими заболеваниями, что подтверждает достоверность исследования.

Интересно, что локусы когнитивных способностей пересекаются с долголетием: люди, генетически предрасположенные к интеллекту, как правило, живут дольше. Также было обнаружено новое генетическое совпадение между когнитивными способностями и риском аутоиммунных заболеваний, таких как экзема, болезнь Крона, ревматоидный артрит и целиакия.

Поиск областей генов, ответственных за когнитивные способности, сам по себе интересен, но есть и более серьезные последствия.

» Впервые мы смогли использовать генетическую информацию, чтобы определить конкретные лекарства, которые могут помочь при когнитивных расстройствах мозга, включая болезнь Альцгеймера, шизофрению и синдром дефицита внимания и гиперактивности».

Наряду с погружением в генетику, лежащую в основе когнитивных способностей, исследователи обнаружили потенциальные ноотропные лекарственные мишени, которые являются рецепторами, которые могут быть активированы для повышения когнитивного мастерства.

Они посчитали, что некоторые кандидаты заслуживают дальнейшего изучения. Наиболее сильным соперником был кинематограф — ингибитор кальциевых каналов, обычно назначаемый при морской болезни.

Другим кандидатом был глутаматный рецептор, закодированный геном GRM3, который ранее был вовлечен в шизофрению. В качестве потенциального лечения были предложены препараты, направленные на GRM3 , хотя на сегодняшний день испытания не увенчались успехом.

GWAS становится все более распространенным явлением по мере расширения вычислительных мощностей и совершенствования методов исследований. Как говорит Ленцц, «Область геномики растет прыжками и гранями.»

Он продолжает: «Поскольку количество генов, которые мы можем обнаружить, напрямую зависит от размера выборки, дальнейшие исследования с дополнительными образцами, вероятно, дадут еще больше информации о том, какую роль наши гены играют в когнитивных способностях».

Интеллект — это сложная и туманная черта, и новые данные, вероятно, будут лишь малой частью более крупного генетического ландшафта. По мере совершенствования технологии и увеличения объема имеющихся генетических данных картина, несомненно, будет становиться все более ясной.

Формирование памяти

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

В постоянно меняющихся условиях окружающей среды простых адаптивных реакций становится недостаточно. К счастью, изменения среды подчиняются неким физическим и планетарным законам. Сделать адекватный поведенческий выбор в нестабильной среде можно, только сравнивая разнородные сигналы с аналогичными сигналами, полученными ранее.

Поэтому в процессе эволюции организм вынужден был приобрести еще одно важное преимущество — возможность сравнивать информацию во времени, как бы оценивая опыт предыдущей жизни. Это новое свойство нервной системы называется памятью.

В нервной системе объем памяти определяется числом нервных клеток, вовлекаемых
в процесс запоминания. Чтобы запомнить хоть что-то, надо иметь примерно 100 компактно
расположенных нейронов, как у актиний.

Их память краткосрочна, неустойчива, но
эффективна. Если собрать актиний и поместить в аквариум, то все они воспроизведут
предыдущую природную ориентацию. Следовательно, каждая особь помнит, в каком направлении
«смотрело» ее ротовое отверстие.

Еще более сложное поведение актинии обнаружили
в экспериментах по обучению. К одним и тем же щупальцам этих животных в течение
5 дней прикладывали несъедобные кусочки бумаги. Актинии сначала отправляли их
в рот, проглатывали, а потом выбрасывали.

Через 5 дней они перестали есть бумагу.
Затем исследователи стали прикладывать бумажки к другим щупальцам. На этот раз
животные прекратили поедание бумаги значительно быстрее, чем в первом эксперименте.

Этот навык сохранялся в течение 6-10 дней. Такие эксперименты демонстрируют принципиальные
отличия животных, обладающих памятью, от существ, не имеющих никаких способов
сохранять информацию о внешнем мире и о себе.

Энергопотребление нервной системы

Роль нервной системы стала особенно значительной после выхода позвоночных на сушу, который поставил бывших первичноводных в крайне сложную ситуацию. Они прекрасно приспособились к жизни в водной среде, которая мало походила на наземные условия обитания.

Новые требования к нервной системе были продиктованы низким сопротивлением среды, увеличением массы тела, хорошим распространением в воздухе запахов, звуков и электромагнитных волн. Гравитационное поле предъявило крайне жесткие требования к системе соматических рецепторов и к вестибулярному аппарату.

Если в воде упасть невозможно, то на поверхности Земли такие неприятности неизбежны. На границе сред сформировались специфические органы движения — конечности. Резкое повышение требований к координации работы мускулатуры тела привело к интенсивному развитию сенсомоторных отделов спинного, заднего и продолговатого мозга.

Дыхание в воздушной среде, изменение водно-солевого баланса и механизмов пищеварения обусловили развитие специфических систем контроля этих функций со стороны мозга и периферической нервной системы.

В результате возросла общая масса периферической нервной системы за счет иннервации конечностей, формирования кожной чувствительности и черепно-мозговых нервов, контроля над органами дыхания.

ПОДРОБНЕЕ ПРО:  Читать книгу Головные боли, или Зачем человеку плечи? Сергея Бубновского : онлайн чтение

Кроме того, произошло увеличение размеров управляющего центра периферической нервной системы — спинного мозга. Сформировались специальные спинномозговые утолщения и специализированные центры управления движениями конечностей в заднем и продолговатом мозге.

У крупных динозавров эти отделы превысили размеры головного мозга. Важно и то, что сам головной мозг стал крупнее. Увеличение его размеров вызвано повышением представительства в мозге анализаторов различных типов.

В первую очередь это моторные, сенсомоторные, зрительные, слуховые и обонятельные центры. Дальнейшее развитие получила система связей между различными отделами мозга. Они стали основой для быстрого сравнения информации, поступающей от специализированных анализаторов.

Параллельно развились внутренний рецепторный комплекс и сложный эффекторный аппарат. Для синхронизации управления рецептора ми, сложной мускулатурой и внутренними органами в процессе эволюции на базе различных отделов мозга возникли ассоциативные центры.

Насколько новые функции нервной системы окупают затраты на ее содержание? Этот вопрос является ключевым в понимании направления и основных путей эволюции нервной системы животных.

Обладатели развитой нервной системы столкнулись с неожиданными проблемами. Память обременительна. Ее надо поддерживать, «бесполезно» тратя энергию организма. Ведь воспоминание о каком-либо явлении может пригодиться, а может и никогда не понадобиться.

Следовательно, роскошная возможность что-либо запоминать — удел энергетически состоятельных животных, животных с высокой скоростью обмена веществ. Но обойтись без нее нельзя — она нужна существам, активно адаптирующимся к внешней среде, использующим разные органы чувств, хранящим и сравнивающим свой индивидуальный опыт.

С появлением теплокровности требования к нервной системе еще более возросли. Любое повышение скорости метаболизма приводит к увеличению потребления пищи. Совершенствование приемов добывания пищи и постоянная экономия энергии — актуальные условия выживания животного с высоким метаболизмом.

Для этого необходим мозг с развитой памятью и механизмами принятия быстрых и адекватных решений. Активная жизнь должна регулироваться еще более активным мозгом. Мозгу необходимо работать с заметным опережением складывающейся ситуации, от этого зависят выживание и успех конкретного вида.

Однако повышение метаболизма мозга приводит к неизбежному возрастанию затрат на его содержание. Возникает замкнутый круг: теплокровность требует усиления обмена веществ, которое может быть достигнуто только повышением метаболизма нервной системы.

Питание и развитие мозга

По устоявшейся, но необъяснимой традиции под размерами нервной системы понимают массу головного мозга. Относительную его массу вычисляют как отношение массы мозга к массе тела. «Рекордсменом» по величине относительного размера мозга считается колибри.

Масса ее мозга составляет 1/12 массы тела. Для птиц и млекопитающих это рекордное отношение. Оно выше только у новорожденного ребенка — 1/7. Относительные массы головных ганглиев пчелы и муравья сопоставимы с относительными размерами головного мозга оленя, а одиночной осы — с мозгом льва… Следовательно, несмотря на общепринятые представления, относительную массу мозга нельзя рассматривать в качестве параметра для оценки интеллекта.

Исходя из величины относительной массы мозга обычно определяют и долю энергетических затрат, приходящуюся на «содержание» нервной системы. Однако в этих подсчетах, как правило, остается неучтенной масса спинного мозга, периферических ганглиев и нервов.

Тем не менее все эти компоненты нервной системы, так же как и мозг, потребляют кислород и питательные вещества, а общая масса спинного мозга и периферической нервной системы может существенно превышать массу головного мозга.

На самом деле общий баланс энергетических затрат на функционирование нервной системы складывается из нескольких компонентов. Помимо мозга постоянно в активном состоянии находятся все периферические отделы, поддерживающие тонус мускулатуры, контролирующие дыхание, пищеварение, кровообращение и т. д.

Понятно, что отключение одной из таких систем приведет к гибели организма. Нагрузка на эти системы постоянна, но нестабильна. Она меняется в зависимости от поведения. Если животное потребляет пищу, то активность пищеварительной системы возрастает и расходы на содержание ее нервного аппарата увеличиваются.

Аналогично повышаются расходы на иннервацию и контроль за скелетной мускулатурой, если животное находится в активном движении. Однако различие между этими энергозатратами в активном состоянии и состоянии покоя относительно невелико, так как тонус мускулатуры или активность кишечника организм вынужден поддерживать постоянно.

Головной мозг тоже активен всегда. Память — это динамический процесс передачи нервного импульса с одного нейрона на другой. Поддержание как наследуемой (видоспецифической), так и приобретенной памяти крайне энергозатратно.

Многие органы чувств работают, постоянно воспринимая и обрабатывая проходящий сигнал из внешней среды, что тоже требует непрерывного расходования энергии. Но все же потребление энергии мозгом в разных физиологических состояниях сильно различается.

Если животное находится в состоянии относительного покоя, то мозг потребляет минимальное количество энергии. Если животное активно добывает пищу, пытается избежать опасности или находится в брачном периоде, затраты организма на содержание мозга существенно увеличиваются.

Энергетические затраты на содержание мозга различаются у животных разных систематических групп. Например, для первичноводных позвоночных характерны относительно небольшой головной, но высокоразвитый спинной мозг и периферическая нервная система.

У ланцетника головной мозг не имеет четкой анатомической границы со спинным и идентифицируется только по топологическому положению и цитологическим особенностям строения. У круглоротых, хрящевых, лопастеперых, лучеперых и костистых рыб головной мозг невелик по сравнению с размерами тела.

ПОДРОБНЕЕ ПРО:  Пятна красного цвета на коже, не чешутся: причины. Что делать? ( отзывы)

В этих группах доминирует периферическая нервная система. Она, как правило, в несколько десятков, а то и в сотни раз больше головного и спинного мозга вместе взятого. Например, у акул-нянек при массе тела около 20 кг головной мозг весит только 7-9 г, спинной — 15-20 г, а вся периферическая нервная система, по приблизительным оценкам, весит около 250-300 г, то есть головной мозг составляет только 3% массы всей нервной системы.

Такой маленький мозг даже в состоянии высокой активности не может существенно повлиять на изменение энергетических затрат. Следовательно, бo’льшую часть энергетических расходов в нервной системе рыб можно считать постоянной.

За счет этого они легко осуществляют мобилизацию организма при смене форм поведения. Избегание опасности, поиск добычи, преследование конкурирующей особи происходят в любой последовательности, прекращаются и начинаются почти мгновенно. Все, кто содержал аквариумных рыбок, много раз наблюдали подобные ситуации.

Для теплокровных животных с относительно большим мозгом становится критичным размер тела. Маленьким «головастикам» без высококалорийного интенсивного питания просто не обойтись. Мелкие насекомоядные съедают ежедневно огромное количество пищи.

Бурозубка ежедневно потребляет в несколько раз больше массы собственного тела. Обильно питание мелких летучих мышей и птиц. У более крупных млекопитающих отношение масса нервной системы/масса тела увеличивается в пользу тела.

Вместе с уменьшением относительных размеров нервной системы снижается и доля потребляемой ею энергии. В связи с этим крупное животное с большим мозгом находится в более благоприятном положении, чем небольшое.

Энергетические затраты на содержание мозга становятся ограничителем интеллектуальной активности для мелких животных. Допустим, что американский крот-скалепус решил попользоваться своим мозгом так же интенсивно, как приматы или человек.

Крот массой 40 г обладает головным мозгом массой 1,2 г и спинным мозгом вместе с периферической нервной системой массой примерно 0,9 г. Имея нервную систему, составляющую более 5% массы тела, крот затрачивает на ее содержание около 30% всех энергетических ресурсов организма.

Если он задумается над решением шахматной задачи, то расходы его организма на содержание мозга удвоятся, а сам крот моментально погибнет от голода. Мозгу крота потребуется столько энергии, что возникнут неразрешимые проблемы со скоростью получения кислорода и доставки компонентов обмена веществ из желудочно-кишечного тракта.

Однако даже при небольшом увеличении размеров тела возникает качественно иная ситуация. Серая крыса (Rattus rattus) обладает нервной системой массой примерно 1/60 массы тела. Этого уже достаточно, чтобы достигнуть заметного снижения относительного метаболизма мозга.

В физиологии крупных млекопитающих торпидность невозможна, но все же крупные теплокровные тоже различными способами защищают себя от повышенных энергозатрат. Всем известна длительная зимняя псевдоспячка медведей, которая позволяет не расходовать энергию во время неблагоприятного для добычи пищи периода.

В отношении экономии энергии еще более показатель но поведение кошачьих. Львы, гепарды, тигры и пантеры, как и домашние кошки, основное время проводят в полудреме. Подсчитано, что кошачьи около 80% времени неактивны, а 20% тратят на поиск добычи, размножение и выяснение внутривидовых отношений.

Из каких источников берет энергию мозг? Если у любого млекопитающего потребление кислорода мозгом становится меньше 12,6 л/(кг·ч), наступает смерть. При уменьшении количества кислорода мозг может сохранять активность только 10-15 секунд.

Через 30-120 секунд угасает рефлекторная активность, а спустя 5-6 минут начинается гибель нейронов. Собственных кислородных ресурсов у нервной ткани практически нет. Тем не менее совершенно неверно связывать интенсивность метаболизма мозга с общим потреблением кислорода.

Энергетические затраты на содержание мозга складываются еще и из потребления питательных веществ, а также из поддержания водно-солевого баланса. Мозг получает кислород, воду с растворами электролитов и питательные вещества по законам, не имеющим никакого отношения к интенсивности метаболизма других органов.

К примеру, у землеройки потребление кислорода составляет 7,4 л/ч, а у слона — 0,07 л/ч на 1 кг массы тела. Тем не менее величины потребления всех «расходных» компонентов не могут быть ниже определенного уровня, который обеспечивает функциональную активность мозга.

Стабильное снабжение мозга кислородом достигается в разных систематических группах за счет различий в скорости кровотока. Скорость кровотока зависит от частоты сердечных сокращений, интенсивности дыхания и потребления пищи.

Сведения о плотности расположения капилляров в головном мозге животных весьма отрывочны. Однако существует общая тенденция, показывающая эволюционное развитие капиллярной сети мозга. У прудовой лягушки длина капилляров в 1 мм3 ткани мозга составляет около 160 мм, у цельноголовой хрящевой рыбы — 500, у акулы — 100, у амбистомы — 90, у черепахи — 350, у гаттерии — 100, у землеройки — 400, у мыши — 700, у крысы — 900, у кролика — 600, у кошки и собаки — 900, а у приматов — 1200-1400 мм.

Adblock
detector