Было мало шансов пропустить слона в комнате. Примерно через дюжину лет после того, как Симба умерла в зоопарке Кливленда Метропарк, полудюймовая пластинка ее желтоватого, морщинистого мозга размером с баскетбол была выложена перед Джоном Аллманом, нейробиологом из Калифорнийского технологического института в Пасадене.
Связанный контент
- Красота мозга
- Как наши мозги делают воспоминания
Сохраненный в формальдегиде, он выглядел как половина блина, замерзшее твердое вещество на запотевшем слое сухого льда. Аллман аккуратно нарезал его, используя лабораторный эквивалент мясорубки. Потратив на это больше часа, он вырезал 136 срезов тонкой бумаги.
Аллман искал своеобразную мозговую клетку, которая, как он подозревает, является ключом к тому, как африканскому слону - как человеку - удается оставаться в курсе постоянно меняющихся нюансов социального взаимодействия. Эти веретенообразные клетки мозга, называемые нейронами фон Экономо, названные в честь человека, который впервые описал их, встречаются только у людей, приматов и горстки других особенно общительных существ. Аллман, 66 лет, сравнивает мозг людей и других животных, чтобы понять эволюцию человеческого поведения.
«Нейробиология, похоже, очень неохотно подходит к вопросу о том, что делает наш мозг человеком, и Джон делает именно это», - говорит Тодд Пройс, нейроанатом и антрополог из Национального исследовательского центра приматов Йеркса в Атланте. «Мы очень, очень мало знаем о том, как наш мозг отличается от других животных, за исключением того, что наш мозг больше».
Нейроны фон Экономо являются наиболее ярким открытием последних лет в сравнительных исследованиях мозга, в которых ученые выявляют тонкие различия между видами. Нейроанатом Патрик Хоф и его коллеги из Медицинской школы на горе Синай в Манхэттене впервые наткнулись на нейроны в образцах человеческого мозга в 1995 году, в области к передней части мозга, называемой передней поясной извилиной корой. Большинство нейронов имеют конусообразные или звездообразные тела с несколькими ветвящимися выступами, называемыми дендритами, которые получают сигналы от соседних клеток. Но нейроны фон Экономо тонкие и вытянутые, с одним дендритом на каждом конце. Они в четыре раза больше, чем большинство других клеток мозга, и даже у видов, у которых есть клетки, они редки.
Манхэттенская команда, как оказалось, заново открыла неизвестный тип клеток, впервые идентифицированный в 1881 году. Хоф назвал клетки в честь находящегося в Вене анатома Константина фон Экономо, который точно описал нейроны в мозге человека в 1926 году; после этого клетки скатились в безвестность. Хоф начал изучать мозг умерших приматов, в том числе макак и обезьян - шимпанзе, бонобо, горилл и орангутанов, подаренных зоопарками и святилищами. Он связался с Аллманом, у которого была коллекция мозгов приматов, и попросил его сотрудничать. В 1999 году ученые сообщили, что все великие виды обезьян имели клетки фон Экономо, а меньшие приматы, такие как макаки, лемуры и тарсиры, этого не сделали. Это означало, что нейроны возникли у общего предка всех великих обезьян около 13 миллионов лет назад, после того как они отошли от других приматов, но задолго до того, как линии человека и шимпанзе разошлись около шести миллионов лет назад.
Хотя Аллман известен как нейроанатом, неудивительно, что он углубляется в более широкие вопросы о том, что значит быть человеком. Его докторская степень в Чикагском университете занималась антропологией, и он давно увлечен развитием мозга приматов. Он провел важные исследования со своим коллегой Джоном Каасом, определив участки мозга обезьяны совы, которые анализируют визуальную информацию и делают возможным зрение. В 1974 году Аллман переехал в Калтех, где изучал зрение в течение 25 лет. Но он также жаждал раскрыть, как основные функции человеческого мозга формируют социальное поведение. Нейроны фон Economo сразу захватили его интерес.
Аллман, который в разводе, живет в 150-летнем кирпичном доме в Сан-Марино, которым он делится с двумя австралийскими овчарками, Луной и Лунитой. Сепия в тонах фотографии его бабушки суфражистки висят на стене гостиной. Будучи «общеизвестно ночным», как говорит Аллман, он редко попадает в лабораторию до 13:00, уходит вечером, чтобы продолжить работу дома, и обычно остается до 2:00. Его офис в Калтехе слабо освещен одним окном и небольшим окном. настольная лампа; это похоже на пещеру, заполненную книгами и бумагами. Внизу на столах и прилавках лежат стеклянные слайды из ткани мозга гориллы, бонобо и слона, окрашенные в синий и коричневый цвета.
Из работы фон Экономо Аллман узнал, что необычные клетки, по-видимому, находятся только в передней поясной извилине (ACC) и еще одной нише человеческого мозга, лобной части инсулина (FI). Исследования мозга показали, что АКК и ФИ особенно активны, когда люди испытывают эмоции. Обе области также, кажется, важны для «самоконтроля», такого как замечание телесных ощущений боли и голода или признание того, что кто-то совершил ошибку. ACC кажется широко вовлеченным почти в каждое умственное или физическое усилие.
Напротив, лобная инсула может играть более специфическую роль в генерировании социальных эмоций, таких как сочувствие, доверие, вина, смущение, любовь - даже чувство юмора. Согласно экспериментам, которые измеряют работу различных областей мозга, область становится активной, например, когда мать слышит плачущего ребенка или когда кто-то внимательно изучает лицо, чтобы определить намерения другого человека. По словам Аллмана, ФИ - это место, где мозг контролирует и реагирует на «интуитивные ощущения» от телесных ощущений или взаимодействий внутри социальной сети. Это связь между самоконтролем и осознанием других, которая позволяет нам понять чувства других людей. «Основное положение, которое я выдвигаю, - говорит он, - это представление о том, что самосознание и социальное осознание являются частью одного и того же функционирования, а ячейки фон Экономо - частью этого».
Аллман считает, что нейроны ускоряют связь от ACC и FI до остальной части мозга. Клетки необычайно велики, а в нервной системе размер часто коррелирует со скоростью. «Это большие нейроны, которые, я думаю, очень быстро что-то читают, а затем быстро передают эту информацию в другое место», - говорит он. Он полагает, что по мере того, как наши предки-приматы развивали мозг все больше и больше, им требовались высокоскоростные соединения для отправки сообщений на большие расстояния. «Большой размер мозга обязательно приводит к замедлению коммуникации в мозге», - добавляет он. «Таким образом, один из способов справиться с этим - иметь несколько специализированных популяций клеток, которые довольно быстрые».
Учитывая, что нейроны живут в социальных горячих точках мозга, Аллман полагает, что клеточная система фон Экономо позволяет быстро и интуитивно воспринимать эмоционально заряженные, нестабильные ситуации. Нейроны «позволили бы быстро адаптироваться к меняющимся социальным условиям», размышляет он. В древнем прошлом эта нейронная проводка могла предоставить нашим предкам преимущество в выживании, позволяя им делать точные, доли секунды суждения, особенно о том, кому они могут доверять или нет.
Аллман, Хоф и их коллеги искали нейроны фон Экономо у более чем 100 видов животных, от ленивцев до утконосов. Известно, что только некоторые из них, кроме приматов и слонов, имеют клетки: горбатых китов, кашалотов, плавников, косаток и дельфинов с носом в бутылках. Предположительно, клетки эволюционировали у вымерших видов, которые породили этих морских млекопитающих около 35 миллионов лет назад.
Когда я наблюдал, как он разделил мозг слона в Калифорнийском технологическом институте, Аллман с коллегами Атией Хаким и Вирджини Губерт наконец достигли ФИ левого полушария Симбы. Три дня спустя микроскопическое исследование срезов мозга показало, что оно усеяно отличительными веретенообразными клетками. Это подтвердило их предыдущее обнаружение подобных нейронов в FI правого полушария Симбы. Клетки слона больше, чем клетки человека и приматов, размером с нейроны кита, но по размерам и форме они безошибочно отличаются от нейронов экономи.
По подсчетам ячеек фон Экономо на 16 слайдах - поразительная работа по глазам - Хаким и Аллман подсчитали, что в ФИ размером с почтовую марку на правой стороне мозга слона находится примерно 10 000 из них, или около 0, 8% ФИ 1, 3 миллиона нейронов. Нейроны Von Economo более многочисленны в человеческом ФИ, в среднем около 193 000 клеток и составляют около 1, 25% всех нейронов. В абсолютном выражении человеческий мозг содержит примерно полмиллиона нейронов фон Экономо, что намного больше, чем мозг слонов, китов или приматов. Аллман и его коллеги не нашли никого в ближайшем родственнике слона: муравьеде, броненосце и скале. Отсутствие клеток у этих видов подтверждает теорию Аллмана, что нейроны являются особенностью большого мозга.
Аллман предполагает, что такие клетки легко эволюционируют из небольшого набора нейронов в островковой коре, которые обнаруживаются у всех млекопитающих и регулируют аппетит. Он считает, что, хотя клетки фон Экономо, вероятно, эволюционировали, чтобы ускорить передачу информации вокруг большого мозга, их стали привлекать требования социальных взаимодействий. Если он прав, умные, социальные животные, такие как киты и слоны, могут иметь такую же специализированную проводку для сочувствия и социального интеллекта, как и люди.
Киты и слоны, такие как люди и великие обезьяны, имеют большой мозг и длительную ювенильную стадию, во время которой они учатся у старших. Они узнают друг друга и развивают отношения сотрудничества на протяжении всей жизни. Косатки охотятся группами и защищают раненых стручков. Общество слонов опирается на матриархов, которые направляют свои стада в водопой, который они знали по предыдущим визитам. (И в том, что слоны никогда не забывают, может быть какая-то правда: когда в 2005 году Аллман, Хоф и Хаким сделали первое трехмерное изображение мозга слона в высоком разрешении, они обнаружили огромный гиппокамп, область мозга, где воспоминания сформированы.) Чувствительные звери идентифицируют друг друга по их грохоту и трубным зовам, приходят на помощь друг другу и, кажется, оплакивают своих мертвых.
Аллману нравится показывать клип из документального фильма о группе африканских слонов, усыновивших осиротевшего теленка. Когда слоненок падает в яму с водой, быстро вступает матриарх, а затем другие. Вместе она и вторая самка используют свои клыки, стволы и ноги, чтобы освободить теленка от навоза. Другое животное лапы на крутом берегу своей ногой, строит рампу, которую мальчик использует, чтобы подняться в безопасное место. «Это действительно замечательно», - говорит Аллман о том, как слоны быстро оценили кризис и работали вместе, чтобы спасти ребенка. «Это очень высокий уровень функционирования, на который способны немногие животные. И, - со смешком добавляет он, - люди могут делать это только в хорошие дни». Спасение, говорит он, «отражает суть действительно сложного, скоординированного социального поведения».
Идея центральности нейронов к социальному интеллекту набирает силу. Приматолог Йеркса Франс де Ваал говорит, что «чрезвычайно захватывающее» исследование Аллмана согласуется с некоторыми его собственными исследованиями интеллекта пахидермы. Два года назад де Ваал и двое его коллег сообщили, что слон из Бронксского зоопарка по имени Хэппи может узнать себя в зеркале. Некоторые ученые предполагают, что способность распознавать свое собственное отражение указывает на способность к самосознанию и даже эмпатии, полезные навыки у высоко социальных видов. Де Ваал отмечает, что это могут делать только животные с нейронами фон Экономо.
И все же де Вааль также предупреждает, что «пока кто-то не установит точную функцию этих клеток, в основном это остается историей».
Мысли Аллмана о клетках фон Экономо все еще развиваются. По мере поступления новых данных он отбрасывает исходные концепции и интегрирует другие. В отличие от осторожного стереотипного ученого, он без колебаний выдвигает смелые гипотезы, основанные на нескольких наблюдениях. Теория о том, что нейроны фон Экономо лежат в основе социального познания, дерзка. И заманчиво использовать клетки как простое объяснение основы сложной социальной природы нашего вида. Но Аллман знает, что это натянуто.
В его теории есть свои скептики. Антрополог Терренс Дикон из Калифорнийского университета в Беркли задается вопросом, являются ли нейроны действительно другим типом клеток мозга или просто вариацией, которая возникает в большом мозге. Он говорит, что различия в нашем мозге, которые делают нас людьми, более вероятны в результате крупномасштабных изменений, чем в результате тонких изменений в форме нейрона. «Я не думаю, что это очень большая часть истории», - говорит он об идее Аллмана. Тем не менее, добавляет он, когда речь заходит о понимании человеческого мозга, «до тех пор, пока мы признаем, что нам так мало впереди, при таких обстоятельствах все гипотезы следует подтверждать».
Дело принято. Но трудно не соблазниться теорией Аллмана, когда некоторые из наиболее убедительных доказательств поступают не из лаборатории патологии животных, а из медицинской клиники.
Уильям Сили, невролог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, изучает плохо изученное нейродегенеративное заболевание, называемое лобно-височной деменцией. Пациенты терпят расстройство своего характера, теряют социальную грацию и сочувствие, становятся нечувствительными, беспорядочными и безответственными. Браки и карьеры рушатся. Многим пациентам, по-видимому, не хватает физического самосознания: при диагностике других заболеваний они отрицают наличие каких-либо проблем. Исследования головного мозга у пациентов с деменцией выявили повреждение лобных областей мозга.
В 2004 году Сили услышал лекцию Аллмана о нейронах фон Экономо. Когда Аллман просматривал свои слайды в PowerPoint, Сили увидел, что клетки сгруппированы в тех же областях мозга, на которые была нацелена деменция, ACC и FI. «Это было как Эврика», - вспоминает Сили. Он полагал, что клетки могут помочь исследователям понять, почему эти области уязвимы для разрушения. «Кроме того, я подумал, что это интересный способ узнать что-то о человеческой природе. Может быть, дефицит, который развивается у пациентов, может быть связан с вещами, которые уникальны для человека. Так что был большой поток идей».
Позже, за чашкой кофе, Сили и Аллман договорились объединиться, чтобы выяснить, были ли повреждены нейроны фон Экономо у людей с лобно-височной деменцией. Анализируя мозг умерших пациентов, ученые обнаружили, что на самом деле около 70 процентов нейронов von Economo в ACC были разрушены, тогда как соседние клетки мозга практически не пострадали. «Совершенно очевидно, что первоначальной целью заболевания являются эти клетки, и когда вы разрушаете эти клетки, вы получаете полный упадок социального функционирования», - говорит Аллман. «Это действительно поразительный результат, который говорит о функции клеток настолько ясно, насколько это возможно».
Эта необычная нервная система, кажется, лежит в основе того, что делает нас людьми. Но тот факт, что слоны и киты, по-видимому, используют одну и ту же нейронную аппаратуру, открывает разум для наклона в перспективе: наш мозг может быть больше похож на мозг других умных, социальных животных, чем мы думали.
Ингфей Чен живет в Санта-Круз, Калифорния.
Фотограф Аарон Хьюи живет в Сиэтле.
Найденная в 1881 году и описанная в 1926 году Константином фон Экономо, большая, веретенообразная клетка мозга (справа) имеет меньше ветвей, чем типичный нейрон (слева). (К. К. Уотсон, Т. К. Джонс и Дж. М. Аллман / с разрешения Elsevier (2)) 
Джон Аллман (вместе с коллегой Атией Хаким из Калифорнийского технологического института, исследующего образцы мозга слона) ищет один из биологических ключей к поведению человека. (Аарон Хьюи) 
В настоящее время известно, что нейроны Константина фон Экономо встречаются в тех частях человеческого мозга, которые обрабатывают ощущения и социальные эмоции. (Иллюстрация Гильберта Гейтса) 
Константин фон Экономо точно описал нейроны в мозге человека в 1926 году. (Oxford University Press) 
Изучение других видов дает понимание того, «что делает наш мозг человеком», - говорит Тодд Пройс. (Джек Кирс / Университет Эмори) 
Умные, общительные и да, наделенные отличной памятью, слоны (Симба в Кливлендском зоопарке Metroparks, где она умерла в 1995 году) - одни из немногих животных с нейронами фон Экономо. (Зоопарк Кливленда Метропаркс) 
Джон Аллман изучает участки мозга Симбы. (Аарон Хьюи) 
Патрик Хоф исследует, когда и где нейроны фон Экономо эволюционировали в генеалогическом древе приматов. (Майкл Балтер) 
Джон Аллман использует мозговой нож. (Ингфей Чен) 
Джон Аллман вырезает тонкие бумажные срезы сохранившегося мозга для изучения. (Ингфей Чен) 
Образцы срезов мозга в лаборатории Джона Аллмана. (Аарон Хьюи) 
Горные гориллы относятся к числу животных, которые, как известно, живут в сложных группах. (ISTOCKPHOTO) 
Горбатые киты - еще один вид, обитающий в сложных группах. (Блейн Харрингтон III / Корбис) 
Известно, что африканские слоны живут в сложных группах. Почему они так хороши в общении? Одной из причин, утверждает Аллман, являются специализированные нейроны фон Экономо, которые ускоряют импульсы через необычайно большой мозг среди центров, вовлеченных в общение и сотрудничество. (ISTOCKPHOTO)
