Читать книгу "Мозг. Такой ли он особенный? - Сюзана Херкулано-Хузел"

Но здесь нам на выручку приходит простая математика. Если средний размер нейронов на самом деле является постоянным даже при изменении их числа, то число нейронов на единицу объема мозга, то есть плотность нейронов, тоже должно быть постоянным, так же как число шариков на единицу объема мешочка. Это очень полезная информация, потому что определение плотности нейронов – это тривиальная задача: мы просто делим число нейронов, найденных в ткани, на ее массу или объем.

Прибегая к той же аналогии, можно сказать, что при увеличении размера и количества шариков мешочек увеличивается в объеме с большей скоростью, чем число шариков. Если в мешочек укладывают в десять раз больше шариков, а каждый шарик теперь в 1,5 раза больше, то полученный объем будет не в десять, а в 10 × 1,5 = 15 раз больше. Если же шарики в пять раз больше, то добавление десятикратного числа шариков приведет к увеличению объема в 10 × 5 = 50 раз. Об изменении среднего размера шариков в каждом мешочке можно судить без измерения истинных размеров каждого шарика, а простым определением плотности шариков в мешочке. В первом случае плотность шариков окажется в полтора раза меньше; во втором случае – в пять раз. Изменение плотности, таким образом, обратно пропорционально изменению размеров шариков[85]. Но мало этого, если существует постоянное отношение между изменением размера шариков по мере того, как сами они становятся более многочисленными, это будет проявляться некоторым фиксированным отношением между плотностью шариков и их количеством в мешочке. Если же мы в этом утверждении заменим «шарики» «нейронами», то сможем узнать, как изменяется средний размер нейронов по мере того, как в ходе эволюции происходит увеличение их числа в мозговых структурах.

Преимущество приматов

В мозговой коре животных, не принадлежащих к отряду приматов, по мере роста числа нейронов плотность равномерно уменьшается, и это уменьшение можно описать степенной функцией от числа нейронов с аллометрическим показателем функции –0,6 (рис. 4.13). Поскольку средний размер нейрона изменяется обратно пропорционально плотности нейронов, этот показатель степени подразумевает, что средняя масса корковых нейронов возрастает с увеличением числа нейронов, возведенного в степень +0,6. Это означает, что если кора приобретает в десять раз больше нейронов, то размер каждого нейрона в среднем увеличивается в четыре раза, а масса всей коры – в сорок раз. Если же кора приобретает в сто раз больше нейронов, то нейроны становятся в 16 раз больше, а масса коры – в 1600 раз; при приобретении 1000 нейронов они становятся в 64 раза больше, а масса коры увеличивается в 64 тысячи раз. Напротив, у приматов, по мере увеличения числа корковых нейронов, плотность их упаковки в коре практически не изменяется (рис. 4.13). Это означает, что по мере развития коры приматов она начинает приобретать дополнительные нейроны без существенного увеличения их среднего размера. Это не означает, что нейроны приматов становятся мельче, но лишь то, что они перестают расти: размер клеток в коре приматов остается таким же, как размер нейронов в коре крыс или кроликов, и значительно мельче, чем у агути. Вследствие этого, когда кора приматов приобретает в десять раз больше нейронов, ее масса становится всего в десять раз больше, а если она приобретает в 100 раз больше нейронов, то и масса ее увеличивается тоже в 100 раз.

Рис. 4.13. По мере того как кора головного мозга животных, не принадлежащих к отряду приматов (кружки), приобретает нейроны, плотность их (в нейронах на 1 мг мозговой коры) уменьшается пропорционально увеличению числа нейронов, возведенного в степень –0,6, что означает следующее: масса нейронов возрастает в зависимости от увеличения числа нейронов, возведенного в степень +0,6. Напротив, по мере того как кора приматов (треугольники) приобретает нейроны, плотность нейронов снижается очень незначительно. Учитывая, что эволюция млекопитающих началась с животных малого размера с маленькими мозгами и крошечной корой, можно считать, что приматы отделились от общего предка с изменением, которое устранило связь между добавлением новых нейронов и увеличением средних размеров нейронов в коре головного мозга

Отчетливая тесная корреляция между плотностью упаковки нейронов (а следовательно, средним их размером) и числом нейронов у неприматов позволяет предположить, что должен существовать механизм, благодаря которому в эволюции этих млекопитающих произошло сопряжение увеличения числа нейронов в мозговой коре с увеличением среднего размера этих нейронов. Каждый раз, когда пока не открытый механизм увеличивал число нейронов, образующих мозговую кору нового биологического вида, этот механизм приводил и к увеличению среднего размера нейронов в фиксированном отношении. Более того, этот механизм был (и продолжает оставаться) весьма устойчивым, ибо он работает уже более 90 миллионов лет, то есть до расхождения африканских зверей, грызунов, насекомоядных и парнокопытных, и, на самом деле, до сих пор присутствует в современных видах каждой из этих таксономических групп. Когда приматы, в свою очередь, отделились от своего общего с неприматами предка, случилась поломка: упомянутый механизм перестал работать и произошло разобщение увеличения числа корковых нейронов и увеличения их среднего размера. То есть, на сколько бы ни увеличивалось число корковых нейронов при переходе от одного примата к следующему, не происходило одновременного увеличения среднего их размера. Таким образом, правила нейронного шкалирования у приматов стали другими, специфичными для этого отряда животных.

Поскольку первые, самые ранние виды приматов были мельче нынешних[86], этот «разрыв» в происхождении приматов проявился у животных с малым числом нейронов в их мозговой коре, и это число подчинялось правилам нейронного шкалирования, характерным как для приматов, так и для неприматов, то есть этот разрыв был локализован на пересечении распределения приматов и неприматов, как показано на рис. 4.8 и 4.13. Ископаемые остатки родоначальника приматов Ignacius graybullianus позволяют оценить его внутричерепной объем в 2,14 см3, а массу тела в 231 г[87]. Если этот вид действительно был близок к точке ответвления приматов и если древние правила нейронного шкалирования для предковых форм млекопитающих были еще применимы, то мы можем считать массу мозговой коры равной 0,96 г, что дает число нейронов, равное 42,4 миллиона, что близко к числу нейронов, определенному для современного мышевидного лемура[88]. Между тем мышевидный лемур находится на эволюционной лестнице там, где можно ожидать появления предкового примата на наших графиках, – на пересечении правил нейронного шкалирования мозговой коры приматов и неприматов. Применив правила нейронного шкалирования, которые, как мы считаем, были характерны для предкового млекопитающего, мы получили промежуточный результат – 33,9 миллиона нейронов в коре головного мозга. Близость двух оценок – это как раз то, чего следовало ожидать на основании предполагаемого сценария ответвления приматов от общего предка, то есть свойство, носителем которого был этот предок, общее с современными неприматами, но которое все более модифицировалось с изменением правил нейронного шкалирования, каковое становилось все более заметным по мере эволюционного увеличения числа нейронов в мозговой коре приматов.