Синаптический прунинг

Уничтожение определенных синапсов совершенно необходимо для развития нервной системы, равно как и для нормальной деятельности зрелого мозга: он не только всю свою жизнь создает новые связи, но и разрушает старые. Такая «подрезка» (или прунинг*) чрезвычайно важна для процессов обучения и памяти; недавние исследования обнаружили поразительный механизм прунинга.

Образование и поддержание синаптических связей необходимы для нормального развития нервной системы. Мозг эмбриона производит громадное множество незрелых нервных клеток, которые потом обрастают аксонами и дендритами, что ветвятся и формируют затейливую сеть связей с другими клетками. Поначалу мозг создает больше связей, чем ему на самом деле требуется, после чего обрывает избыточные или неправильно сформировавшиеся синапсы, таким образом совершенствуя и развивая нейронные пути.

Но и этим дело не заканчивается: мозг продолжает формировать, видоизменять и уничтожать синапсы всю нашу жизнь. Ныне это уже общее место: обучение и память обусловлены усилением и ослаблением синаптических связей внутри нейронных сетей, а также и уничтожением синапсов. Прунинг синаптических связей в мозге, таким образом, — необходимый процесс деятельности зрелого мозга.

Обрезаем с умом.
Исследования образования и разрушения синапсов в основном производят на препаратах нейромышечного синапса, состоящего из терминали спинномозгового двигательного нейрона и мышечной клетки, с которой он формирует соединение. Во время развития аксоны двигательного нейрона отрастают из спинного мозга и по мере приближения к целевой мышце ветвятся и образуют незрелые синапсы с множеством мышечных клеток, и каждая поначалу контактирует с многими аксонами разом. По мере развития, однако, большинство синапсов устраняется, и у мышечной клетки остается лишь один синапс.

Синаптический прунинг происходит повсеместно и в развивающемся мозге; один из наиболее известных примеров — зрительная система.

В зрелой зрительной коре клетки образуют так называемые глазодоминантные колонки, получающие попеременно сигналы то от левого, то от правого глаза. Сначала нейроны, прорастающие в зрительную кору, образуют синапсы более-менее как попало, и соседние глазодоминантные колонки получают сигналы от обоих глаз. По мере развития многие синапсы прерываются, и формируется чередующаяся последовательность восприятия колонками. Этот процесс отчасти зависит от зрительного опыта — он тонко подстраивает зрительные нейронные пути и направляет должное образование синапсов.

Во время развития мозга синаптические связи разрываются во множестве. В зрительной коре кошек, например, между первой и пятой неделей после рождения происходит стремительное развитие, вслед за которым многочисленные синапсы уничтожаются — синаптическая плотность падает примерно на 40%.

У обезьян пик синаптической плотности приходится на возраст между вторым и третьим месяцем, а затем, примерно со второго года после рождения, синаптическая плотность начинает быстро снижаться — в первичной зрительной коре между вторым и третьим с половиной годом жизни ежесекундно исчезает около 2 500 синапсов.

Похожие закономерности наблюдаются и в мозге человека. При рождении плотность синапсов в зрительной коре близка к той, что наблюдается у взрослых, но между вторым и четвертым месяцем она принимается быстро расти, достигая пика между восьмым и двенадцатым месяцем, когда количество синапсов достигает примерно 60% той, что есть у взрослых.

В других участках мозга уничтожение синапсов продолжается гораздо дольше. Человеческий мозг дорастает до своего полного размера примерно к десяти годам, и до недавнего времени считалось, что тогда же он достигает и полноты развития. Однако несколько лет назад исследователи произвели поразительное открытие: префронтальная кора продолжает развиваться до конца третьего десятка лет человеческой жизни. В этой области синаптический прунинг происходит все отрочество и далее и совершенно необходим для тонкой подстройки нейронных цепей, занятых в принятии решений и выполнении других сложных задач.

Уборка.
Для объяснения устранения нежелательных синапсов было предложено множество различных механизмов. Один, наблюдаемый у плодовых мушек, — аксональное отмирание: неиспользуемые нервные волокна чахнут и отсыхают. У млекопитающих, включая людей, замечены другие механизмы. Соперничество за вещества, поддерживающие рост, считают одним из важнейших. В некоторых частях мозга и в нейромышечных соединениях растущие аксоны соперничают за конечное количество факторов роста: с теми, кто получает вещество-сигнал роста, связь поддерживается, а с не получающими связь отмирает. Аксоны, не получающие вещество-сигнал, могут втянуться в клеточное тело, где разрушаются и перерабатываются. Ускоренная съемка образования нейромышечной связи показывает, что аксоны могут по ходу втягивания в мышцу сбрасывать кое-какие свои части. Сброшенный материал усваивают близлежащие шванновские клетки.

За последние несколько лет набралось немало подтверждений, что клетки микроглии играют важную роль в синаптическом прунинге. Микроглия — иммунные клетки мозга, осуществляющие функции уборщиков. Они патрулируют мозг, постоянно вытягивая и втягивая похожие на пальчики отростки и проверяя другие клетки мозга на невредимость. Они улавливают сигнал бедствия от поврежденных или умирающих нейронов и отвечают на него, перемещаясь к месту аварии и прибирая весь клеточный сор, какой обнаружат. Микроглия к тому же — первая линия обороны от внешних вторжений: они обнаруживают и уничтожают микробы, проникающие в мозг.

Оказывается, микроглиальные клетки пожирают нежелательные синапсы, словно те — клеточные отходы или микробы. Пока этот процесс наблюдали только в зрительной коре и гиппокампе мышей; тот же механизм, возможно, действует и в других областях мозга или во всем мозге вообще. Как именно микроглиальные клетки определяют ненужные синапсы, пока, однако, неясно.

Доступное соединение.
Нейромышечный синапс гораздо более доступен, чем меньшие по размеру и гораздо более плотно скученные нейроны серого вещества мозга, и поэтому любим исследователями, изучающими рождение и уничтожение синапсов. В этой структуре аксоны спинномозговых двигательных нейронов смыкаются с мышечными клетками и выделяют нейромедиатор ацетилхолин, стимулирующий мышечное сокращение. Изначально с каждой мышечной клеткой устанавливает связь множество аксонов, однако по мере развития большинство аксонов обрезается, пока не останется один. Судя по всему, механизм этого обрезания связей — соревновательного свойства: аксоны борются за место у мышечной клетки. Исследователи недавно разработали методику устранения одного из двух аксонов, протянутых к одной и той же мышечной клетке. В этой ситуации один аксон обычно втягивается прочь от мышцы. Ученые, однако, обнаружили, что уничтожение одного аксона вызвало повторный рост к мышце других втягивающихся аксонов — они устремлялись занять опустевшее место.