Возрастное сокращение объема мозга человека - эволюционная цена большой продолжительности жизни?

Человек - обладатель огромного мозга, способного решать сложнейшие задачи. Но наш мозг стареет. По мере старения он постоянно уменьшается и становится все более уязвимым для развития когнитивных расстройств, таких как потеря памяти и слабоумие. Сравнение размеров мозга человека и шимпанзе показало, что в процессе старения мозг шимпанзе практически сохраняет свои размеры. Постепенная медленная потеря мозговой ткани, как представляется, может быть той эволюционной ценой, которую мы платим за большой и энергозатратный мозг и большую продолжительность жизни.

Насколько могут судить ученые, человек - единственное животное, у которого развиваются специфические заболевания мозга, такие как болезнь Альцгеймера, которой только в США страдает почти 50% населения в возрасте старше 85 лет. Но даже нормальный здоровый мозг демонстрирует признаки старения, такие как отложение бета-амилоидного белка - бета-амилоидные бляшки  - и потеря связей между нейронами, особенно в областях, связанных с обучением и памятью. Предыдущие исследования мозга человека показали, что именно эти области, включая лобную долю и гиппокамп, особенно подвержены возрастному сокращению объема.

Старик

Хотя количество аналогичных исследований, проведенных на других приматах, явно недостаточно, последняя работа на макаках-резусах показала лишь очень незначительное возрастное сокращение размеров их мозга. Однако эволюционные линии, ведущие к человеку и макакам-резусам, разошлись около 30 миллионов лет назад, что оставляет нерешенной загадку, когда же сформировалась человеческая модель старения мозга.

Чтобы получить более полное представление о времени ее формирования, группа ученых во главе сЧетом Шурвудом (Chet Sherwood), занимающимся эволюционной нейроанатомией в Университете Джорджа Вашингтона (George Washington University), сравнила модель сокращения объема мозга у шимпанзе и человека, эволюционные линии которых разошлись только 5-7 миллионов лет назад. Исследованная выборка включала в себя 87 образцов мозга человека в возрасте от 22 до 88 лет и 69 образцов мозга шимпанзе в возрасте от 10 до 51 года. Так как шимпанзе редко живут в естественных условиях дольше 45 лет (хотя в неволе некоторые доживали до 60 с лишним), образцы соответствовали нормальной продолжительности жизни обоих видов.

Для измерения размеров ряда областей мозга у человека и шимпанзе ученые использовали магнитно-резонансную томографию (МРТ). Различия оказались поразительными: в то время как у шимпанзе не наблюдалось сколько-нибудь значимого возрастного сокращения объема ни одной из исследованных областей, все соответствующие области человеческого мозга демонстрировали резкие возрастные изменения. Некоторые из них к 80 годам уменьшались на четверть. Более того, модель старения серого вещества мозга человека, содержащего тела нервных клеток с их ядрами и вспомогательные клетки, такие как микроглия, несколько отличалась от модели старения белого вещества, состоящего из длинных отростков нейронов - аксонов - устанавливающих связи между различными областями мозга.

Шимпанзе

Например, между 30 и 80 годами серое вещество лобной доли человека сокращается в среднем на 14%, серое вещество гиппокампа - примерно на 13%. Но сокращение белого вещества выражено значительно сильнее: объем белого вещества лобной доли, а также и большинства других областей, сокращается примерно на 24%.

Более того, в отличие от серого вещества, демонстрирующего более плавное сокращение объема, снижение объема белого вещества наиболее стремительно идет между 70 и 80 годами. Таким образом, если среднее сокращение объема лобной доли в возрасте 80 лет составляло 24% процента, то в возрасте 70 лет наблюдалось лишь 6-процентное сокращение.

Так почему же объем мозга шимпанзе практически не изменяется на протяжении всей жизни животного, в то время как человеческий мозг с возрастом все больше увядает?

«Это вопрос на миллион долларов», - говорит Шервуд. В статье, опубликованной в  Proceedings of the National Academy of Sciences , ученые указывают на тот факт, что имеющий большие размеры мозг человека (он в три с лишним раза объемнее мозга шимпанзе) отличается гораздо более высокими энергетическими затратами. Так, мозг человека использует до 25% от общего доступного количества энергии организма, расходуемой в состоянии покоя, по сравнению с не более чем 10% у других приматов.

Плата за поддержание такой высокой энергетики, подчеркивают исследователи, проявляется на клеточном и молекулярном уровне. Она включает в себя и снижение эффективности митохондрий - энергетических «станций» живых клеток, и ущерб от окислительного стресса - результата пагубного воздействия кислородсодержащих молекул, образующихся в процессе активного клеточного метаболизма.

«Я думаю, что наши нейроны, в основном, делают все возможное, чтобы сохранить максимальную функциональность так долго, как только могут», - высказывает свое мнение Шервуд. «Но после долгих лет высокого потребления энергии они встречают на своем пути очень много трудностей».

Антрополог из Школы передовых исследований (School for Advanced Research) в Санта-Фэ Дин Фальк (Dean Falk) находит особенно интересными различия между моделями сокращения объема серого и белого вещества. Белое вещество, которого у человека относительно больше, чем у шимпанзе и других приматов, «особенно важно для осуществления сложных когнитивных функций у Homo sapiens», говорит Фальк, так как оно обеспечивает связь между областями мозга, участвующими в передачи информации при решении различных сложных задач.

Однако многим ученым сделанные Шервудом и его коллегами выводы представляются достаточно спорными. Так, нейробиолог из Лаборатории экспериментальной геронтологии Национального института здравоохранения США (National Institutes of Health) в Балтиморе Питер Рапп (Peter Rapp), тоже проводивший магнитно-резонансное исследование мозга макак-резусов, считает, что новая работа не учитывает различий между последствиями нормального старения организма человека и сокращением объема мозга как результатом нейродегенеративных заболеваний у ряда обследованных лиц.

«Не это ли отличает предрасположенность шимпанзе и человека к развитию болезней и определяет качественное различие процесса нормального старения их мозга?».

С ним соглашается невролог из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне Брюс Янкнер (Bruce Yankner). Чтобы проверить гипотезу о том, что возрастное сокращение объема мозга у человека является следствием большей продолжительности жизни, считает Янкнер, «было бы интересно» посмотреть, наблюдается ли подобное сокращении у других биологических видов с чрезвычайно большой продолжительностью жизни, «таких как пресноводные и морские черепахи, которые спокойно перешагивают столетний рубеж, слоны, способные прожить 70, и попугаи, живущие 80 лет».

Аннотация к статье

Aging of the cerebral cortex differs between humans and chimpanzees