Всяк приспосабливается по-своему
Дабы анализировать окружающий мир, человеческий мозг заставляет нейроны запоминать объекты «во взаимосвязи с новым окружением», а панды, чтобы обходиться минимум еды, – наводят энергоэкономию
Свой пересказ опубликованной в Neuron статьи на тему свойств некоторых нейронов человеческого мозга дает «Наука и жизнь»
«Около 10 лет назад нейробиологи обнаружили странный феномен: некоторые нейроны в человеческом мозге активировались только в ответ на конкретный образ. Те исследования выполнялись на пациентах, больных эпилепсией, которым вводили электроды в кору мозга, чтобы узнать, какой участок отвечает за болезнь. Одновременно можно было выполнять научные эксперименты (разумеется, на добровольной основе).
Когда человеку с электродом в голове показывали фотографию какой-нибудь знаменитости, вроде актрис Дженнифер Энистон или Джулии Робертс, или же некую сцену из мультфильма, то в ответ можно было видеть активность определённых нервных клеток, причём нейрон «Дженнифер Энистон» молчал на фотографии Джулии Робертс. Такие нервные клетки находились в участке мозга, захватывающей гиппокамп, который, как известно, служит у нас главным центром памяти.
Дальнейшие эксперименты показали, что в мозге действительно есть клетки, отвечающие за узнавание различных объектов, человеческих лиц и т. д. Таких клеток для каждого объекта выделены не одна и не две, а порядка тысячи, если не больше, однако они могут отстоять друг от друга слишком далеко, чтобы нейробиологи могли заметить их все сразу.
Причём, что важно, эти клетки отличают важные признаки от второстепенных: например, на знаменитую персону они реагируют независимо от того, во что одета знаменитость и какая у неё причёска. Однако в некоторых случаях, когда человеку показывали знакомый объект в новом контексте, такие нейроны молчали.
В то же время наши воспоминания ведь никогда не состоят из отдельно стоящих объектов. Например, мы можем вспомнить нашего знакомого в ситуации, когда он пришёл к нам в гости, или когда мы встретили его на улице – очевидно, что тут есть два разных места, улица и дом, для которых выделены свои нейроны, и они должны как-то взаимодействовать с клетками, отвечающими за образ человека. И вообще, мы запоминаем целые цепочки событий, в которых с самыми разными объектами всё время что-то происходит – такого рода информация называется эпизодической памятью.
Как ведут себя с такой памятью вышеописанные специфические нейроны, попытались выяснить Ицхак Фрид (Itzhak Fried) (один из тех, кто открыл такие клетки) из Калифорнийского университета Лос-Анджелесе и его коллеги из Университета Лестера. Добровольцами в их опытах опять послужили пациенты-эпилептики, которым ввели электроды в кору мозга – им показывали от ста до двухсот самых разных изображений: среди них были места, которые нравились самым участникам эксперимента, и портреты знаменитостей, и известные архитектурные сооружения, вроде Пизанской башни, и другие элементы ландшафта.
У каждого человека (а было их 14) удалось записать активность 600 клеток, и среди них можно было выделить группы от 2 до 28, которые вместе реагировали, по меньшей мере, на одно изображение. Затем картинки поменяли так, чтобы персонаж и фон у них не совпадали по нейронной активности, например, актёра Клинта Иствуда комбинировали с Пизанской башней – зная, что нейроны, отвечающие за известного человека, никак не реагируют на известное архитектурное сооружение.
После того, как участники эксперимента просмотрели такие коллажи, они должны были пройти серию тестов на память: например, им нужно было собрать виденный коллаж из раздельных фото – то есть к фотографии Клинта Иствуда подобрать фото Пизанской башни.
Целью исследователей было понять, что при этом будет происходить с нейронами специфического ответа. В статье в Neuron они пишут, что уже после первого раза клетки понимали, что перед ними «их объект», просто в новых условиях, и даже отвечали на его новую, модифицированную версию с большей активностью. «С первого раза» значит, что достаточно было один раз показать комбинированную картинку, чтобы специальные нейроны запомнили свой объект во взаимосвязи с новым окружением.
На самом деле, можно было ведь ожидать, что у мозга есть способ превратить отдельные объекты в непрерывную цепочку воспоминаний. Особенность же новой работы в том, что авторам удалось показать изменения в работе высшей нервной системы на нейронном уровне – и главное здесь то, что появление новой ассоциации, необходимость связать привычный объект с новыми условиями сказывается на активности единичных нейронов.
Очевидно, комбинируя активность различных групп специальных нейронов, отвечающих каждая за свой образ, мозг в состоянии запомнить уникальное событие в нашей жизни, которого не было в прошлом и которое не повторится в будущем,- повествуется в материале «Науки и жизни».
В свою очередь «Элементы» заинтересовала проблема того, «как пандам удается обходиться скромным рационом, состоящим почти исключительно из побегов бамбука» - по статье в Science.
«Китайские ученые выяснили, как пандам удается обходиться скромным рационом, состоящим почти исключительно из побегов бамбука. Оказалось, что панды расходуют значительно меньше энергии, чем другие наземные животные, благодаря замедленному обмену веществ. Низкой скоростью обмена панды обязаны поломке гена DUOX2, участвующего в синтезе гормонов щитовидной железы. Кроме этого, панды двигаются меньше и медленнее, чем другие медведи, а их мозг, печень и почки меньше по сравнению с органами других плацентарных животных.
Большие панды — знаменитые черно-белые медведи, своеобразный символ Китая, а также Всемирного фонда дикой природы. Эти симпатичные животные считаются очень миролюбивыми не только потому, что похожи на плюшевые игрушки, но и из-за своей почти полностью вегетарианской диеты. В отличие от других медведей, панды питаются в основном растениями — побегами бамбука. Для удобства обращения с тонкими стеблями у панд даже развился «большой палец» — из видоизмененной сесамовидной кости запястья (рис. 2).
Но у панд нет самого главного, что необходимо травоядным животным, — длинного кишечника, благодаря которому из растительности можно извлечь максимум питательных веществ. Их пищеварительный тракт такой же короткий, как и у других медведей, которые употребляют более питательную пищу животного происхождения. Поэтому метаболизм панд долгое время оставался для ученых загадочным: было непонятно, как при таком строении пищеварительной системы им удается уложиться в низкий энергетический бюджет, который можно получить из вегетарианской пищи. Изучать панд трудно, потому что эти животные очень редкие и численность их популяций продолжает сокращаться. Тем не менее китайским ученым недавно удалось исследовать метаболизм нескольких панд, как обитающих в дикой природе, так и живущих в зоопарках.
Чтобы исследовать энергозатраты животных, обитающих в условиях дикой природы, оценивали скорость обмена веществ в их организме. Китайские ученые использовали для этого меченую воду: и атомы водорода, и атомы кислорода в ней был представлены нестандартными изотопами. Сначала исследователи измерили, насколько быстро определенное количество такой воды выводится из организма панд, проживающих в зоопарке. Для этого животным вводили небольшое количество меченой воды, а затем регулярно брали анализы крови, чтобы оценить, какая доля меченых атомов там осталась. Скорость обмена воды свидетельствует о скорости обмена веществ в целом и позволяет судить об энергетическом бюджете, необходимом для поддержания метаболизма. Таким же методом исследовали обмен веществ у панд, живущих в дикой природе: в первый раз их отлавливали, чтобы ввести меченую воду, а второй — спустя несколько дней, чтобы посмотреть, сколько меченой воды еще осталось в организме животных.
Энергетические бюджеты панд, проживающих в диких условиях и в неволе, не отличались между собой, но были значительно ниже рассчитанных таким же методом энергозатрат у других наземных животных. Панды в среднем расходовали лишь 5,2 МДж в день (данные по восьми особям: трем диким и пяти, живущим в неволе), то есть 37,7% от значения, которое можно рассчитать для животного их массы на основании полученных ранее данных для других животных (13,8 МДж в день). Панды отставали даже от таких экономных животных, как коалы, ехидны и кошачьи лемуры (69%, 66% и 52% относительно ожидаемого значения энергозатрат для животных с соответствующей массой тела), и шли приблизительно наравне с трехпалым ленивцем (36%). Единственные животные, у которых энергозатраты были еще ниже ожидаемых, — это австралийская серебрянохвостая крыса (Zyzomys argurus) и пустынный златокрот (Eremitalpa granti): 21% и 26% соответственно (рис. 3). Но эти животные, вероятно, впадали в анабиоз в тот период, когда у них измеряли скорость обмена веществ, поэтому сравнивать их результаты со всеми остальными некорректно.
Получается, что панды тратят меньше всего энергии из всех наземных животных, оставаясь при этом активными. По-видимому, им приходится обходиться таким небольшим количеством энергии именно из-за питания бамбуком, для которого не очень подходит их пищеварительная система. По отношению энергозатрат к массе тела панды скорее походят не на млекопитающих, а на рептилий, которые не тратятся на поддержание постоянной температуры тела. Но за счет чего панды ставят такой рекорд энергетической неприхотливости?Изображения, полученные термальной камерой, показали, что температура тела у панд все-таки ниже, чем у других млекопитающих, хотя и далеко не такая низкая, как у животных, впавших в спячку или анабиоз (рис. 4). Поддерживать температуру пандам помогает густой мех. Хотя они и живут в теплом климате, без меха на поддержание температуры тела уходило бы значительно больше ресурсов.
Кроме этого, панды экономят энергию, двигаясь меньше и медленнее, чем другие медведи. Средняя скорость их передвижения составила 26,9 метров в час, и хоть с какой-то видимой невооруженным глазом скоростью они передвигались не больше половины всего времени (а в неволе — и вовсе треть времени). В дикой природе панды несколько чаще занимались активной деятельностью, чем в зоопарках, но назвать их подвижными всё равно было нельзя.
Панды тратят меньше ресурсов и на поддержание самых дорогих в энергетическом плане органов — мозга, печени и почек. Эти органы у них меньше, чем можно было бы ожидать исходя из их массы тела и на основании данных для других плацентарных животных. Масса головного мозга в среднем составила 82,5% от ожидаемого, масса печени — 62,8%, а почек — 74,5%.
Интенсивность обмена веществ регулируется гормонами щитовидной железы. Ученые измерили уровни таких гормонов — тироксина и трийодтиронина — у тех же панд, для которых рассчитывали энергозатраты. Уровни тироксина и трийодтиронина у панд составили 46,9 и 64% от ожидаемого для плацентарных животных с такой массой тела. Они были даже ниже, чем у бурого медведя, впавшего в спячку. Значит, пандам помогает поддерживать низкую интенсивность обмена веществ слабая наработка гормонов щитовидной железы. Ученые решили найти гены, которые в этом задействованы. Для этого они стали искать мутации в генах пути синтеза гормонов щитовидной железы, которые отличают панд от пяти других хищников, а также мыши и человека. Обнаружилась всего одна такая мутация — в гене DUOX2. Этот ген кодирует мембранный белок, занимающийся превращением воды в перекись водорода, которая требуется на финальном этапе синтеза тироксина и трийодтиронина. У панд в этом гене преждевременно возникал стоп-кодон, из-за чего функциональный белок, по-видимому, вообще не образовывался. Поскольку этот фермент — не единственный занятый в синтезе перекиси, гормоны щитовидной железы у панд все-таки образовывались, хотя и в значительно меньших количествах, чем у других плацентарных животных. Из-за этого их обмен веществ был достаточно медленным, чтобы для его поддержания хватало бамбука.
Теперь мы понимаем, как пандам удается быть вегетарианцами при неподходящем для такой диеты строении кишечника. Им помогают сразу несколько приспособлений на разных уровнях — молекулярном, анатомическом и поведенческом. Панды многим жертвуют, чтобы обходиться такой низкокалорийной диетой, как бамбук: они меньше и медленнее двигаются, их мозг, печень и почки значительно уменьшились и температура тела не такая высокая, как у других млекопитающих. Зато эти животные заняли узкую нишу, на которую никто не претендует, и смогли стать рекордсменами в экономичности метаболизма,- повествуется в материале на сайте «Элементов».