Эпендимные клетки выстилают желудочки мозга и центральный канал спинного мозга. Они участвуют в продукции, циркуляции и утилизации спинномозговой жидкости, которая служит гидравлической подушкой и средой для циркуляции питательных веществ и сигнальных молекул внутри мозга.

Нейроны и глия тесно взаимодействуют, образуя функциональные нейроглиальные ансамбли. Например, астроциты оплетают своими отростками синапсы и регулируют концентрацию нейромедиаторов и ионов в синаптической щели, влияя на передачу нервного импульса. Олигодендроциты обеспечивают метаболическую поддержку и электроизоляцию для аксонов. Микроглия, реагируя на патологические стимулы, высвобождает цитокины и другие сигнальные молекулы, влияющие на функцию нейронов, способствует удалению и образованию нейронных синапсов.

Все клетки мозга погружены в особую комфортную среду, внеклеточный матрикс (ВКМ). Это сеть из структурных и сигнальных молекул, которая заполняет пространство между клетками и обеспечивает их механическую поддержку, влияет на миграцию, деление и дифференцировку (взросление, специализацию) клеток в ходе развития.

ВКМ мозга включает в себя три основных компонента:

1. Гиалуроновая кислота – длинные линейные углеводные цепочки, образующие насыщенный водой гель, который служит основой матрикса.

2. Протеогликаны – особые белки с присоединенными к ним цепочками углеводов (глюкозаминогликанами). Они обеспечивают структурную целостность, удерживают воду, служат депо для факторов роста и других биоактивных молекул. Основные протеогликаны ВКМ мозга – это хондроитинсульфаты (версикан, бревикан, нейрокан, аггрекан) и гепарансульфаты (перлекан, агрин).

3. Фибриллярные (образующие длинные вытянутые нити) белки – коллаген, фибронектин, ламинин. Они образуют сложную трехмерную сеть, молекулярный каркас матрикса. Коллаген обеспечивает прочность и упругость матрикса, фибронектин участвует в прикреплении клеток к матриксу и друг к другу, ламинин играет роль в миграции и дифференцировке клеток.

Состав и структура ВКМ мозга сильно отличается от ВКМ других тканей. Например, в мозге практически отсутствует коллаген и фибронектин, зато много гиалуроновой кислоты и специализированных протеогликанов. Это связано с уникальными требованиями, которые мозг предъявляет к своему микроокружению. Благодаря этой особенности матрикса мозг имеет мягкую, студенистую консистенцию. То, что в мозге мало волокон коллагена и фибронектина, которые играют основную роль в жесткости матрикса, способствующей старению, на мой взгляд, дает ему больший потенциал для долголетия по сравнению с другими органами и тканями.

ВКМ создает специфическую среду вокруг нейронов и глиальных клеток, регулируя их форму, подвижность и функциональное состояние. Молекулы ВКМ могут связывать и предоставлять клеткам различные факторы роста, влияя на их дифференцировку и выживание.

Например, протеогликан аггрекан связывается с рецепторами на поверхности нейронов и регулирует рост аксонов и дендритов. Фрагменты протеогликана бревикана стимулируют рост отростков олигодендроцитов и образование миелина. Ламинин и коллаген IV служат подложкой для миграции нейробластов и глиобластов (клеток-предшественников нейронов и глии) в ходе развития мозга.

ВКМ служит также молекулярным барьером, ограничивающим излишнюю подвижность клеток. В зрелом мозге это стабилизирует положение нейронов и глии, препятствуя ненаправленному росту отростков. Поэтому не удивительно, что изменение состава ВКМ при нейродегенеративных заболеваниях, психических расстройствах, черепно-мозговых травмах может способствовать патогенезу.

ВКМ влияет на распространение нейромедиаторов и других сигнальных молекул в синаптических щелях и внеклеточном пространстве, определяя направленную передачу сигналов между клетками. Например, гиалуроновая кислота может связывать глутамат, ацетилхолин, ГАМК и другие медиаторы, изменяя их концентрацию в синапсах. Хондроитинсульфатные протеогликаны могут связываться с калиевыми каналами на оболочке нейронов, регулируя концентрацию К+ во внеклеточной среде и, тем самым, возбудимость нейронов.

Таким образом, ВКМ – это не просто инертный заполнитель, а активный фактор развития мозга и его функций. Он служит динамическим интерфейсом между клетками и во многом определяет то, как нейроны и глия взаимодействуют друг с другом.

Между кровью и мозгом существует гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) – высокоселективный фильтр, который защищает нервную ткань от потенциально вредных веществ (внешних нейромедиаторных молекул, факторов воспаления, иммунных клеток, инфекционных агентов и токсинов), циркулирующих в крови, и поддерживает постоянство внутренней среды мозга.

Анатомическую основу ГЭБ составляют эндотелиальные клетки (клетки стенок) капилляров мозга. В отличие от капилляров других органов, мозговые капилляры имеют эндотелий с рядом особенностей. Эти клетки соединены очень плотными контактами, которые препятствуют проникновению водорастворимых соединений через межклеточные промежутки, за исключением тех, для которых есть особые белки-переносчики. Также эндотелиоциты мозга имеют низкую проницаемость мембраны и цитоплазмы самих клеток, так как у них слабо развиты поры в оболочке и способность к микропиноцитозу (заглатывание отдельных молекул клеткой).

С внешней стороны капилляры оплетены отростками астроцитов, которые способствуют формированию барьерных свойств эндотелия и регулируют работу транспортных систем. Также в состав ГЭБ входит базальная мембрана из ВКМ, которая служит дополнительным фильтром.

Проницаемость ГЭБ избирательна. Низкомолекулярные, не имеющие заряда, жирорастворимые вещества (H2, О2, СО2, этанол, никотин и др.) могут проходить через липидный бислой оболочки клетки. Транспорт заряженных, водорастворимых соединений ограничен и требует специальных механизмов – избирательных белков-переносчиков и рецепторопосредованного транспорта через эндотелиальные клетки. Глюкоза, аминокислоты, нуклеозиды (кирпичики ДНК и РНК), некоторые регуляторные пептиды (инсулин, трансферрин) переносятся в мозг с помощью специализированных белков-транспортеров. Более крупные белки, такие как антитела (инактивирующие инфекционный агент) и липопротеины (несущие клеткам мозга необходимые жиры и холестерин), могут проходить через ГЭБ путем эндоцитоза – попадания в барьерные клетки внутри пузырьков, отпочковывающихся от оболочки клетки.

В то же время ГЭБ (если он не поврежден, конечно) надежно блокирует проникновение в мозг токсинов, патогенов и компонентов иммунной системы. Он также выделяет белки, которые активно выкачивают из мозга обратно в кровь многие ксенобиотики (лекарства, пестициды и др.)

Кора головного мозга считается «средоточием» интеллекта и разума у млекопитающих.

ГЭБ помогает поддерживать ионный гомеостаз (постоянство состава) мозга, препятствуя резким колебаниям концентрации ионов (таких как K+, Na+, Cl—, Ca2+, Mg2+ и другие), которые могут нарушить генерацию и проведение нервных импульсов. Также он удерживает в мозге нейромедиаторы и нейротрофические факторы (пептиды-регуляторы клеточного роста).

Проницаемость ГЭБ может меняться при различных патологических состояниях. При нейровоспалении активированная микроглия и астроциты выделяют цитокины (сигнальные молекулы, влияющие на клетки иммунной системы) и активные формы кислорода (свободные радикалы), которые повреждают плотные контакты между клетками ГЭБ и увеличивают внутриклеточный транспорт, что приводит к отеку мозга, нарушению работы нейронов. Хроническая дисфункция ГЭБ вносит вклад в развитие нейродегенеративных заболеваний, эпилепсии, рассеянного склероза.

С другой стороны, ГЭБ является серьезным препятствием для доставки в мозг лекарственных препаратов. Поэтому активно разрабатываются методы обратимого раскрытия барьера, соединения лекарств с носителями, узнаваемыми транспортными системами ГЭБ, липосомальными формами доставки.

Таким образом, мозг – это не просто совокупность нейронов, а сложнейшая многокомпонентная система, все элементы которой находятся в постоянном структурном и функциональном взаимодействии. Нейроны, глиальные клетки, внеклеточный матрикс и гематоэнцефалический барьер образуют единый комплекс, который обеспечивает развитие и работу центральной нервной системы.

Мозг человека в аспекте эволюции

Удивительно, но факт – люди не имеют ни абсолютного, ни относительного превосходства в размерах головного мозга среди млекопитающих. У китов, дельфинов и слонов самый большой мозг – до 10 кг; мозг человека имеет среднюю массу 1,35 кг. Если предположить, что абсолютный размер мозга имеет решающее значение для интеллекта, тогда киты или слоны должны быть умнее людей, а лошади умнее шимпанзе, что определенно не так.

Размер мозга по отношению к размеру тела имеет тенденцию уменьшаться с увеличением размера тела, в результате чего у мелких животных относительно большой, а у крупных – относительно небольшой мозг. У землероек мозг составляет 10 % или более от объема тела, в то время как у самого крупного млекопитающего (и современного животного), синего кита, мозг занимает менее 0,01 % тела. Кстати говоря, в этом контексте 2 % для человеческого мозга очень высоки, учитывая тот факт, что Homo sapiens принадлежит к довольно крупным млекопитающим. Если бы разум диктовался относительным размером мозга, то землеройки были бы самыми умными млекопитающими, что звучит довольно невероятно.

Тогда что же определяет степень ума?

В ходе эволюции наших предков произошло резкое увеличение площади поверхности коры головного мозга. Кроме того, среди млекопитающих с большим мозгом у приматов самая толстая кора – 3–5 мм, а у китообразных и слонов – удивительно тонкая (1–1,8 мм).

С увеличением объема коры плотность упаковки нейронов нередко уменьшается, но у приматов необычно высокая, а у китообразных и слонов – необычно низкая плотность упаковки. Все это подводит к тому факту, что человеческий мозг имеет наибольшее количество корковых нейронов (действительно, их около 15 миллиардов), несмотря на то, что человеческий мозг и кора намного меньше по размеру, чем у китообразных и слонов (10–12 миллиардов).

Таким образом, наилучшее соответствие между характеристиками мозга и степенью интеллекта у млекопитающих достигается за счет сочетания числа нейронов коры или мантии полушарий головного мозга, плотности упаковки нейронов, межнейронного расстояния и скорости проводимости в аксонах – факторов, обусловливающих способность к обработке информации. Эта способность совпадает с понятием «общий интеллект», который в значительной степени определяется эффективностью рабочей памяти и, соответственно, способностями к умственным манипуляциям.

Самый высокий общий интеллект среди известных живых существ обнаружен у людей, за которыми следуют человекообразные обезьяны, потом обезьяны Старого и Нового Света. У китообразных (самые умные из них – касатки) и слонов общая способность обработки информации намного ниже из-за более тонкой коры полушарий, низкой плотности упаковки нейронов и меньшей скорости аксональной проводимости.

Тогда зачем китам и слонам такой большой мозг, ведь его содержание очень энергозатратное? Как известно, на 90 % размер головного мозга определяется размерами тела животного. Поэтому одна из гипотез – это для того, чтобы координировать движения своего гигантского тела. Вторая более экзотическая – чтобы избежать переохлаждения мозга, ведь тенденция к его увеличению в эволюции совпала с наступлением ледникового периода.