В новой статье, посвященной профилактике болезни Альцгеймера и других неврологических расстройств, Кит Хенген, доцент кафедры биологии факультета искусств и наук Вашингтонского университета в Сент-Луисе, предлагает новый комплексный подход к пониманию того, как работает мозг и каким правилам он должен следовать для достижения оптимальной производительности.
“Существует распространенное мнение, что человеческий мозг — самое сложное явление во вселенной. Мозг обладает огромной мощью, но эта мощь может быть результатом относительно простого набора математических принципов”, — говорит Хенген.
Ученый исходит из предпосылки, что почти все, что делает наш мозг, является результатом обучения или в значительной степени формируется опытом. Другими словами, мы не рождаемся с заранее запрограммированными схемами, которые помогают нам читать, водить машину или делать что-либо еще из того, что мы делаем каждый день. Здоровый мозг должен быть готов учиться всему и всякому.
Но как совокупность нейронов способна учиться? Хенген предполагает, что мозг становится обучаемой машиной только тогда, когда достигает особого состояния, называемого “критичностью”. Это понятие, заимствованное из физики, описывает сложную систему, находящуюся на грани между порядком и хаосом. На этой грани мозг готов к получению новой информации, сказал Хенген. “Мозг должен достичь критичности, чтобы думать, запоминать и учиться”.
Хенген предложил концепцию критичности в качестве объединяющей теории функционирования мозга и заболеваний в журнале Neuron. Соавтором статьи является Вудроу Шев, физик из Университета Арканзаса.
Биолог и физик могут показаться странной парой, но новая объединяющая теория сочетает в себе обе области науки. Физики часто описывают критичность, используя классический пример кучи песка: по мере добавления песка куча становится все более крутой, пока в конце концов не обрушивается. Перед тем, как последняя песчинка вызвала хаос, куча находилась под критическим углом, в одном шаге от нестабильности.
Шев объяснил, что физики сначала глубоко изучили критичность как способ описания магнитов и других материалов. На рубеже XXI века эти идеи были расширены для объяснения более широкого спектра сложных систем, включая лавины, землетрясения и, в конечном итоге, живые системы и мозг.
Определяющим аспектом критических систем является то, что они выглядят одинаково в любом масштабе: куча песка на грани обрушения имеет одинаковый уклон, независимо от того, является ли она крошечной или огромной. В мозге критичность остается постоянной, независимо от того, измеряется ли она в нескольких нейронах или во всей области. Точно так же мозговые паттерны, которые разворачиваются во времени, удивительно похожи, если рассматривать их в миллисекундах или часах. “Это соответствует нашему интуитивному пониманию того, как работает мозг. Наши внутренние переживания охватывают период от миллисекунд до месяцев. У них нет масштаба”, — сказал Хенген.
Хенген и Шев предполагают, что критичность — это не просто теоретическая концепция, а состояние, которое можно точно измерить и рассчитать с помощью технологии фМРТ-визуализации мозга. “Критичность — это оптимальное вычислительное состояние мозга. Мы разработали математический метод измерения того, насколько мозг близок к критичности, что должно помочь нам ответить на фундаментальные вопросы о том, как работает человеческий мозг”.
Новое понимание болезни Альцгеймера
Концепция критичности предлагает новый подход к пониманию неврологических заболеваний. Вместо того чтобы сосредотачиваться на конкретных поврежденных областях мозга или накопленных белках, Хенген утверждает, что такие заболевания, как болезнь Альцгеймера, разрушают нечто более фундаментальное: способность мозга поддерживать критичность.
“Болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные заболевания не просто повреждают нейроны, они нарушают общую способность мозга к вычислениям, постепенно разрушая критичность. По мере того как мозг все дальше удаляется от критичности, он теряет способность эффективно адаптироваться и обрабатывать информацию”.
Эта концепция объясняет загадочную особенность заболеваний мозга: пациенты часто выглядят совершенно нормально, пока не теряют большую часть нейронов. “Мозг обладает замечательными компенсаторными способностями, которые могут маскировать функциональные проблемы даже тогда, когда критичность начинает снижаться. Традиционные методы оценки пропускают ранние стадии, потому что они сосредоточены на установленных конечных точках, которые мозг пытается поддерживать с помощью обходных путей”.
По мере постепенного ухудшения критичности мозг работает усерднее, чтобы достичь тех же когнитивных результатов, сказал Хенген. “Это похоже на двигатель, который все еще работает, но требует больше топлива и выделяет больше тепла. К тому времени, когда мы замечаем проблемы с памятью или другие симптомы, критичность, вероятно, уже нарушена в течение многих лет”.
Совместная работа Хенгена с доктором медицины Дэвидом М. Хольцманом, заслуженным профессором медицины Вашингтонского университета, показала, что накопление тау-белка при болезни Альцгеймера напрямую нарушает критичность, что обеспечивает четкую связь между молекулярными признаками заболевания и когнитивным коллапсом.
Эта связь между критичностью и болезнью Альцгеймера открывает захватывающие диагностические возможности. Теоретически, простая функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) может помочь обнаружить нарушения критичности за годы до появления симптомов. “В сочетании с передовыми анализами крови мы могли бы выявлять людей из группы риска и принимать меры до того, как наступит необратимое повреждение”.
В рамках другого совместного проекта Хенген объединился с Дианой Барч, профессором психиатрии в Медицинском университете Вашингтона и профессором психологии и наук о мозге в области искусств и естественных наук, для проведения наблюдательного исследования, чтобы увидеть, как критичность при рождении определяет когнитивное развитие и способности в детстве. “С самого начала некоторые дети ближе к критичности, чем другие, что, согласно нашей теории, предполагает, что они будут лучше учиться. Многие внешние факторы могут повлиять на их успеваемость в школе, но критичность может объяснить впечатляющую разницу между детьми”.
Связь между сном и сознанием
В начале 2024 года Хенген и соавтор Ральф Вессель, профессор физики в факультете искусств и наук Вашингтонского университета, использовали концепцию критичности, чтобы вернуться к вечному вопросу: зачем нам нужен сон? Отслеживая мозговую активность в течение нескольких недель, они обнаружили, что сон восстанавливает состояние критичности. “Бодрствование и активность отдаляют нас от критичности, а сон — это как кнопка сброса”, — пояснил Хенген.
Это открытие может помочь исследователям раскрыть потенциал сна как средства лечения болезни Альцгеймера и других неврологических заболеваний, которые отдаляют мозг от его оптимального состояния. Предыдущие исследования Хольцмана и других ученых показали, что люди, которые не высыпаются — возможно, из-за сменной работы или хронической бессонницы — подвержены гораздо более высокому риску развития болезни Альцгеймера с возрастом. И уже есть некоторые доказательства того, что вмешательства в сон могут помочь замедлить прогрессирование симптомов болезни Альцгеймера.
Хенген считает, что целенаправленная интенсивная терапия на основе сна может помочь восстановить критичность и улучшить способность к обучению и память у людей с заболеваниями мозга. Исследования на мышах, проведенные Хольцманом и Джеймсом Макгрегором, постдокторантом в лаборатории Хенгена, дают представление о возможностях: мыши, специально выведенные с симптомами болезни Альцгеймера, начинают быстрее учиться после того, как целенаправленное вмешательство в сон усиливает критичность.
* * *
Предстоит еще много работы, но Хенген в конечном итоге хотел бы понять, как критичность помогает объяснить сложные особенности нейробиологии человека. “Мы можем обнаружить, что, например, кто-то, кто является выдающимся художником, может быть чрезвычайно близок к критичности в тех частях мозга, которые участвуют в творческом мышлении. Также возможно, что пристальное изучение критичности может указать на неоткрытые склонности или таланты, которые просто нуждаются в выходе. Возможно, они никогда не пробовали себя в искусстве, но мы видим, что потенциал у них есть”.
Тем временем Хенген, Шев и другие распространяют информацию о важности критичности. Он надеется, что новая статья в Neuron вызовет дискуссии среди неврологов, врачей, журналистов и широкой общественности.
Вашингтонский университет в Сент-Луисе. Пер.: PSYCHOL-OK.RU
