Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Генетика мозга: методические подходы
И УРОВНИ АНАЛИЗА РОВНИ АНАЛИЗА ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДЕТЕРМИНАЦИИ ЦНС При изучении строения и работы ЦНС как относительно самосто- ятельные выделяются следующие уровни анализа: клеточный, мор- фофункциональный и системный. Каждый уровень имеет собствен- ные объекты исследования и изучает присущие этим объектам законо- мерности функционирования. Соответственно вопрос о роли генотипа в формировании ЦНС также должен рассматриваться применительно к трем перечисленным уровням. Первый связан с генетической детерми- нацией функций клеточных элементов и нервной ткани, второй — мор- фологических и функциональных особенностей отдельных образований, из которых состоит головной мозг, третий — организации функцио- нальных систем, лежащих в основе поведения и психики. НЕЙРОННЫЙ УРОВЕНЬ «Строительные блоки» нервной системы — нервные клетки (ней- роны). Главной особенностью нейронов является способность наруж- ной мембраны генерировать нервные импульсы и через особое обра- зование — синапс — передавать информацию от одного нейрона к другому. Импульс передается через синапс с помощью особых биохи- мических веществ-посредников (медиаторов). Синапсы и медиаторы могут быть как возбуждающие, так и тормозные. Предположительно мозг человека содержит 1011 нейронов, причем по своей организации и функциональному назначению нервные клетки обнаруживают чрез- вычайное разнообразие. Нейроны химически, морфологически и фун- кционально специализированы. Как и любая живая клетка, каждый нейрон в ЦНС реализует гене- тически обусловленную программу жизнедеятельности, выполняя предназначенные ему задачи: обработку приходящих возбуждений и генерацию собственного ответа. Для выполнения данных задач он нуж-
дается в ресурсах, а для пополнения ресурсов (запасов нейроактив- ных веществ, «расходующихся» в процессах жизнедеятельности) не- обходим определенный уровень их синтеза. Принято считать, что все эти процессы находятся под контролем генотипа. По современным представлениям, функциональная специализа- ция нейронов складывается на молекулярно-генетическом уровне. Она проявляется: во-первых, в формировании особых молекулярных об-
разований на поверхности нейрона (хеморецепторов), которые обла- дают избирательной чувствительностью к действующим на нейрон медиаторам и другим биологически активным веществам; во-вторых, в особенностях секреторного аппарата нейрона, который обеспечива- ет синтез медиаторов и соответствующих ферментов. Биохимическая специализация возникает в результате взаимодействия генетической программы нейрона и той информации, которая поступает из его внешнего окружения [7, 80, 119, 126]. Однако подобные представления в значительной степени априор- ны, потому что конкретные генетические механизмы, контролирую- щие жизнедятельность нейронов и нервной системы в целом, еще далеко не изучены. По некоторым данным, в мозге экспрессируется не менее 2500 генов, но так или иначе охарактеризованы около 5% от этого числа. Каждый нейрон, имея, как и любая другая клетка, ядерный аппа- рат, несет в себе полную генетическую информацию о морфофунк- циональных особенностях организма, но в нейронах, как и в других клетках организма, активируется лишь часть генетической информа- ции. Однако число экспрессируемых в нейронах генов резко превыша- ет число генов, экспрессируемых в клетках других тканей организма. Мощность работы генетической информации в нейронах доказывает- ся методом ДНК-РНК-гибридизации и путем прямого анализа синте- зируемых белков [139]. Метод ДНК-РНК-гибридизации позволяет оценить число участков ДНК, с которых в клетках данной ткани считывается генетическая информация. Для этой цели из клеток выделяется полный набор молекул информационной РНК, которые списаны с функционирующих участков ДНК, т.е. со всего набо- ра экспрессированных генов. В смеси с полным набором ДНК из данных клеток выделенные молекулы информационной РНК вступают в комплемен- тарные сочетания (гибридизируются) с гомологичными им участками ДНК. Определяя объем набора участков ДНК, вступающих в гибридизацию, можно судить об активности генома. Показано, что молекулы информационной РНК, выделенные из клеток соматических тканей (печень, почки), вступают в гибридиза-
цию с относительно небольшим объемом ДНК (около 4—6%). Это свидетельствует о том, что сравнительно небольшая специализиро- ванная группа генов обеспечивает специфические особенности сома-
тических тканей. В то же время для тканей мозга аналогичное число намного выше. По разным данным, оно колеблется в довольно широ- ких пределах, в среднем составляя около 30%, т.е. в несколько раз больше, чем в любом другом органе. Более того, в нервных тканях разных отделов мозга, по-видимому, экспрессируется различное чис- ло генов. Есть основания полагать, что наибольший объем экспресси- руемых генов характерен для филогенетически молодых отделов моз- га, в первую очередь для областей коры, связанных с обеспечением специфически человеческих функций. Так, установлено, что в клет- ках ассоциативных зон коры больших полушарий экспрессируется приблизительно 35,6% уникальных последовательностей ДНК, а в клетках проекционных зон — 30,8% [26, 139]. Не исключено, что имен- но различия в объеме экспрессируемой генетической информации лежат в основе функциональной специализации разных отделов мозга. Одной из наиболее поразительных особенностей нервной систе- мы является высокая точность связей нервных клеток друг с другом и с различными периферическими органами. Создается впечатление, что каждый нейрон «знает» предназначенное для него место. В процес- се формирования нервной системы отростки нейронов растут по на- правлению к своему органу — «мишени», игнорируя одни клетки, выбирая другие и образуя контакты (синапсы) не в любом участке нейрона, а, как правило, в его определенной области. Особенно зага- дочной выглядит картина того, как аксонам (главным отросткам ней- рона, через которые распространяются возникшие в нейроне импуль- сы) приходится протягиваться на значительные расстояния, изме- нять направление своего роста, образовывать ответвления прежде, чем они достигнут клетки-«мишени». В основе столь высокой точности образования связей лежит прин- цип химического сродства, в соответствии с которым большинство нейронов или их малых популяций приобретают химические различия на ранних этапах развития в зависимости от занимаемого положения. Эта дифференцированность выражается в наличии своеобразных хи- мических меток, которые и позволяют аксонам «узнавать» либо ана- логичную, либо комплементарную метку на поверхности клетки-«ми- шени». Предполагается также, что в этом процессе важную роль игра- ют топографические взаимоотношения нейронов и временная последовательность созревания клеток и их связей [83]. Согласно современным представлениям, значительную роль в про- цессах развития нервной ткани играет временной режим экспрессии генов, тесно связанный в своих механизмах с процессами межткане- вых и межклеточных взаимодействий. Считается, что именно точные сроки экспрессии специфических генов детерминируют формирова- ние специфического соотношения определенных медиаторных или гормональных продуктов в конкретные периоды развития. Жесткая временная последовательность экспрессии генов лежит и в основе фор-
мирования морфологических особенностей мозга — структур и связей
между ними. Методом ДНК-РНК-гибридизации было показано, что в онтоге- незе по мере формирования нейрона возрастает объем активирован- ной генетической информации. Данные, полученные путем гибриди- зации общей ДНК с молекулами информационной РНК, показали, что по мере роста усиливается активность, сложность генных эффек- тов в нейронах. У эмбриона человека в возрасте 22 недель в нейронах активны около 8% генов, а в нейронах взрослых — 25% и более [139]. Еще одной важной особенностью ранних этапов развития ЦНС является генетически обусловленная избыточность в образовании ко- личества нейронов, их отростков и межнейронных контактов. Говоря другими словами, нейронов в ходе эмбриогенеза мозга возникает зна- чительно больше, чем это характерно для взрослого индивида. Более того, формирующиеся нейроны образуют заведомо большее, чем тре- буется, количество отростков и синапсов. По мере созревания ЦНС эта избыточность постепенно устраняется: нейроны, оказавшиеся не- нужными, их отростки и межклеточные контакты элиминируются. Гибель (выборочная элиминация) лишних нейронов, так называе- мый апоптоз, служит устранению избыточных отростков и синапсов и выступает как один из способов «уточнения» плана формирования нервной системы. Кроме того, гибель нейронов ограничивает и тем самым контролирует рост числа клеток. Она необходима для установле- ния соответствия количества клеток в популяциях нейронов, связан- ных друг с другом. Апоптоз — активный процесс, реализация которо- го требует активации специфических генов. Избыточность и элиминация нейронов выступают как два сопря- женных фактора, взаимодействие которых способствует более точной координации и интеграции растущей нервной системы. У человека интенсивный и избыточный синаптогенез (образование кон- тактов между нейронами) происходит в течение первых двух лет жизни. Ко- личество синапсов в раннем онтогенезе значительно больше, чем у взрос- лых. Постепенно уменьшаясь, их число доходит до типичного для взрослых уровня приблизительно к 7-10 годам. Сохраняются же (это существенно) именно те контакты, которые оказываются непосредственно включенными в обработку внешних воздействий, т.е. под влиянием опыта происходит про- цесс избирательной, или селективной, стабилизации синапсов. В силу того, что избыточная синаптическая плотность рассматривается как морфологи-
ческая основа усвоения опыта, эти данные свидетельствуют о высокой по- тенциальной способности к усвоению опыта детей раннего возраста. Кроме того, можно полагать, что воспринимаемый благодаря этому на данном воз- растном этапе опыт, образно говоря, «встраивается» в морфологию мозговых связей, в известной мере определяя их богатство, широту и разнообразие. С другой стороны, гипотеза генетического программирования пред- полагает, что специфическое химическое «сродство» между оконча-
ниями аксонов и постсинаптической клеткой генетически запрограм- мировано и однозначно приводит к формированию стабильных меж- клеточных контактов и связей. Однако число синапсов ЦНС человека оценивается цифрой 1014, в то время как геном содержит лишь 106 ге- нов. Таким образом, маловероятно, что специфичность каждого от- дельного синапса программируется отдельным геном или его опреде- ленным участком. Более рациональным выглядит предположение, что одним или несколькими генами кодируется медиаторная специфич- ность нейронов, а их рост до органа-«мишени» контролируется одним общим регуляторным механизмом. Такой эпигенетический механизм мог бы производить тонкую настройку связей нейронной сети. Однако реальные механизмы этого процесса пока не известны. В заключение можно сказать, что исследования функций генети- ческого аппарата нейрона и нервной системы в целом находятся в начальной стадии. Тем не менее с начала 90-х годов XX в. ведется систематическая работа по составлению всеобъемлющего каталога генов, активных в мозге человека. Очевидно, на этом пути еще предстоят значительные открытия, которые, предположительно, будут связаны с решением следующих вопросов: - Какая часть генов из числа всех генов, экспрессирующихся в мозге, является «мозгоспецифической», т.е. активирующейся только в мозге? - Имеют ли «мозгоспецифические» гены общие черты, отличаю- щие их от генов, которые активны в других тканях? - Существуют ли особенности в составе мРНК нервных клеток разных типов? - Как осуществляется регуляция экспрессии «мозгоспецифичес- ких» генов? - Каковы структура и функции белков, кодируемых «мозгоспе- цифическими» генами? МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ Мозг современного человека высоко дифференцирован. Он состо- ит из множества относительно мелких и крупных структурных образо- ваний, объединенных в ряд морфофункциональных блоков. В соответ- ствии с данными многих экспериментальных и клинических исследо- ваний каждому из блоков приписываются разные функции. Так, в стволе и подкорковых структурах мозга локализованы цен- тры, регулирующие витальные функции организма. Кроме того, к их функциям относятся: обеспечение тонизирующих и модулирующих влияний на разные уровни ЦНС, формирование биологических по- требностей и мотиваций, побуждающих организм к действию (голод, жажда и др.), а также эмоций, сигнализирующих об успехе или не-
удаче в удовлетворении этих потребностей. Кора больших полушарий играет определяющую роль в обеспечении высших психических фун- кций человека. В самом общем виде она (1) осуществляет прием и окончательную переработку информации, а также (2) организует на этой основе сложные формы поведения, причем первая функция свя- зана преимущественно с деятельностью «задних» отделов коры, а вто- рая—с деятельностью «передних». Разные функции выполняют левое и правое полушария. Например, у «правшей» центры, управляющие ведущей правой рукой и речью, локализованы в левом полушарии. Обобщенной морфологической характеристикой мозга служит его вес. Индивидуальные различия абсолютного веса мозга взрослых лю- дей очень велики. При средних значениях 1400—1500 г диапазон край- них индивидуальных значений (из изученных) колеблется в пределах: от 2012 г (у И.С. Тургенева) до 1017 г. (у А. Франса). Коэффициент вариативности, по обобщенным данным, составляет приблизительно 8%. У мужчин вес мозга в среднем на 200 г больше, чем у женщин. Вес мозга почти не зависит от размеров тела, но положительно коррели- рует с размерами черепа. Различия по весу мозга, по-видимому, в определенной степени обуслов- лены генетическими факторами. Об этом свидетельствуют специально выве- денные линии мышей — с «высоким» и «низким» весом мозга. У первых мас- са мозга приблизительно в 1,5 больше, чем у вторых. Попытки установить связь между весом мозга и успешностью обучения мышей однозначных ре- зультатов не дали. Вариабельность борозд и извилин на поверхности мозга чрезвы- чайно велика. Как подчеркивают морфологи, не обнаружено двух оди- наковых экземпляров мозга с полностью совпадающим рисунком по- верхности. Например, С.М. Блинков пишет: «Рисунок борозд и изви- лин на поверхности коры больших полушарий мозга у людей столь же различен, как их лица, и также отличается некоторым семейным сход- ством» [17, с. 24]. Одни борозды и извилины, в основном наиболее крупные, встречаются в каждом мозге, другие не столь постоянны. Вариабельность борозд и извилин проявляется в их длине, глубине, прерывистости и многих других более частных особенностях [17]. Индивидуальная специфичность характерна и для подкорковых об- разований, глубоких структур мозга, а также проводящих путей, соеди- няющих разные отделы мозга [139]. В то же время многообразие индиви- дуальных различий в строении коры и других образований мозга всегда находится в пределах общего плана строения, присущего человеку. Индивидуальные различия в строении мозга дают основания для попыток связать их с индивидуально-психологическими различиями. Большое внимание уделялось поиску морфологических и цитоархи- тектонических (клеточных) оснований индивидуальных особеннос- тей умственного развития, в первую очередь одаренности. Было уста-
18-1432 273 новлено, что вес мозга не связан с умственным развитием человека. Наряду с этим при анализе особенностей клеточного строения коры больших полушарий обнаружили, что индивидуальным особенностям психической деятельности соответствуют определенные соотношения в развитии проекционных и ассоциативных областей. Так, постмортальные исследования мозга людей, которые обла- дали выдающимися способностями, демонстрируют связь между спе- цификой их одаренности и морфологическими особенностями мозга, в первую очередь — с размерами нейронов в так называемом рецеп- тивном слое коры. Например, анализ мозга выдающегося физика А. Эйнштейна показал, что именно в тех областях, где следовало ожи- дать максимальных изменений (передние ассоциативные зоны левого полушария, предположительно отвечающие за абстрактно-логичес- кое мышление), рецептивный слой коры был в два раза толще обыч- ного. Кроме того, там же было обнаружено значительно превосходя- щее статистическую норму число так называемых глиальных клеток, которые обслуживали метаболические нужды нейронов. Характерно, что в других отделах мозга Эйнштейна особых отличий не выявлено [418]. Предполагается, что столь неравномерное развитие мозга связано с перераспределением его ресурсов (медиаторов, нейропептидов и т.д.) в пользу наиболее интенсивно работающих отделов. Особую роль здесь играет перераспределение ресурсов медиатора ацетилхолина. Холинэр- гическая система мозга, в которой ацетилхолин служит посредником проведения нервных импульсов, по некоторым представлениям, обес- печивает информационную составляющую процессов обучения [82]. Эти данные свидетельствуют о том, что индивидуальные различия в умственной деятельности человека, по-видимому, связаны с особен- ностями обмена веществ в мозге. Структурная индивидуализированность мозга, неповторимость топографических особенностей у каждого человека складывается в онтогенезе постепенно [171, 172]. Вопрос о том, как влияют генети- ческие особенности на формирование индивидуализированности моз- га, пока остается открытым. По-видимому, в формировании этих мор- фологических характеристик играют роль генетические факторы. На- пример, отмечается семейное сходство в рисунке борозд коры мозга. Кроме того, при сравнении мозга МЗ близнецов обнаружено доволь- но значительное сходство морфологических особенностей, причем в левом полушарии больше, чем в правом [427]. Наряду с этим существуют традиционные и разработанные мето- ды неинвазивного изучения функциональной активности мозга. Речь идет о методах регистрации биоэлектрической активности мозга, в первую очередь коры больших полушарий. Методы регистрации энце- фалограммы и вызванных потенциалов позволяют зарегистрировать активность отдельных зон коры больших полушарий, оценить инди- видуальную специфичность этой активности как качественно, так и
количественно и применить к полученным результатам генетико-ста- тистический анализ. По совокупности таких данных можно судить о роли генетических факторов в происхождении индивидуальных осо- бенностей функциональной активности отдельных областей коры как в состоянии покоя, так и в процессе деятельности. Итоги конкретных исследований изложены в гл. XIII и XIV. СИСТЕМНЫЙ УРОВЕНЬ В широком понимании живая система представляет собой сово- купность взаимосвязанных элементов, которые обладают способнос- тью к совместному функционированию и приобретению свойств, не присущих отдельным входящим в ее состав элементам. В настоящее время принято считать, что мозг представляет собой «сверхсистему», состоящую из множества систем и сетей взаимосвязанных нервных клеток и структурных образований более высокого уровня. Морфологически в строении мозга выделяются два типа систем: микро- и макросистемы. Первые представляет собой совокупность популяций нервных клеток, осуществляющих относительно элемен- тарные функции. Примером микросистем могут служить нейронный модуль (вертикально организованная колонка нейронов и их отрост- ков в коре больших полушарий) или гнезда взаимосвязанных нейро- нов и глиальных клеток в подкорковых структурах. Предполагается, что таким микроансамблям свойственна преимущественно жесткая ге- нетически детерминированная форма конструкции и активности [176]. Сходные по своим функциям микроансамбли, или микросисте- мы, объединяются в макросистемы, сопоставимые с отдельными струк- турными образованиями мозга. Например, отдельные зоны коры больших полушарий, имеющие разное клеточное строение (цитоар- хитектонику), представляют собой разные макросистемы. Сюда же от- носятся системы подкорковых и стволовых образований, корково-под- корковые системы мозга [139]. Современная наука располагает методами, позволяющими экспе- риментально изучать некоторые аспекты функционирования мозго- вых систем. Речь идет об уже упоминавшихся ранее электрофизиоло- гических методах: электроэнцефалограмме и вызванных потенциалах. Исходно энцефалограмма характеризует специфику функциональной активности той зоны мозга, где она регистрируется. Однако наряду с этим разработаны способы оценки взаимосвязанности локальных по- казателей биоэлектрической активности мозга при регистрации ее в разных отделах. В основе данного подхода лежит простая логика: если мозг работает как целое (система), то изменения в активности от- дельных элементов системы должны иметь взаимосвязанный характер. Подробнее речь о них пойдет в гл. XIII, здесь же подчеркнем, что электрофизиологические показатели взаимодействия разных зон коры
18* 275 в покое и при реализации той или иной деятельности демонстрируют значительную межиндивидуальную вариативность. Последнее дает ос- нование ставить вопрос о роли факторов генотипа и среды в проис- хождении этой вариативности. Другими словами, используя генети- ко-статистический анализ, можно выявить причины межиндивиду- альной вариативности не только локальных электрофизиологических показателей, но и производных от них показателей, отражающих сте- пень взаимосвязанности последних, т.е. работу мозговых систем.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-26; просмотров: 390; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.89.56.228 (0.143 с.) |