Человеческий мозг уменьшил плотность ионных каналов в нейронах — вероятно, для того, чтобы сэкономить на них энергию.

Нейрон генерирует электрический импульс с помощью ионных каналов — особых белков, которые сидят в клеточной мембране и пропускают через себя те или иные ионы. Под воздействием какого-то стимула — механического давления, химического вещества, или импульса, прибежавшего от другого нейрона — ионные каналы открываются или закрываются, концентрация ионов по обе стороны мембраны меняется и электрические свойства самой мембраны, соответственно, тоже меняются.

Пирамидальные нейроны коры головного мозга хорька (крайний слева), морской свинки, кролика, игрунковой мартышки, макаки и человека (крайний справа). (Фото: MIT)

Нейроны отличаются друг от друга размерами, длиной и ветвистостью отростков, с помощью которых они принимают и передают импульсы. У большого нейрона ионных каналов будет больше, чем у маленького, если эти каналы считать поштучно. Но если взять большой нейрон слона и маленький нейрон мыши, то, несмотря на различие в абсолютном количестве каналов, они должны работать одинаково.

Для большинства зверей это так и есть, но всё меняется, когда речь заходит о человеке. Несколько лет назад сотрудники Массачусетского технологического института обнаружили, что нейроны крысы и человека отличаются по электрофизиологическим свойствам, и эти отличия обусловлены какими-то особенностями в дендритах — разветвлённых нейронных отростках, которые играют роль антенн, собирая сигналы от множества других нервных клеток. Дальнейшие исследования показали, что плотность ионных каналов на мембране человеческих нейронов ниже, чем на мембране нейронов крысы.

В новой статье в Nature сравниваются нейроны уже десяти видов зверей: карликовой многозубки (самого маленького млекопитающего на земле), песчанки, мыши, крысы, морской свинки, хорька, кролика, игрунковых обезьян, макак и человека (человеческие образцы брали у пациентов с эпилепсией, которым предстояла операция на мозге). Исследователи сравнивали плотность двух видов ионных каналов, пропускающих ионы калия и натрия, в мембранах пирамидальных нейронов пятого слоя коры полушарий. Толщина коры и размеры нейронов увеличиваются от многозубки к приматам, и одновременно увеличивалась плотность ионных каналов у каждого отдельного нейрона. При этом если рассматривать не отдельный нейрон, а какой-то объём мозга, то оказывается, что плотность ионных каналов в объёме мозга у многозубки и макаки одинакова. Нейроны многозубки невелики по сравнению с нейронами макаки, поэтому в заданном «кубике» мозговой ткани нейронов многозубки, грубо говоря, будет больше, а нейронов макаки — меньше. Однако из-за разности в плотности ионных каналов у большого и маленького нейрона плотность тех же каналов в «кубике» мозга будет одинаковой. И если смотреть на кору полушарий, не разбирая её на отдельные нейроны, то получится, что электрические свойства будут одинаковы что у мыши, что у кролика, что у обезьяны — потому что у них у всех будет одна и та же плотность ионных каналов на единицу объёма коры.

Из этого правила выпадает человек: у него плотность ионных каналов в «кубике» коры оказалось меньше, чем можно было ожидать — потому что и на нейронах нашей коры плотность ионных каналов меньше, чем полагалось бы по сравнению с маками и в соответствии с нашими размерами. Ионные каналы требуют энергии, и чем их больше, тем больше энергии уходит на то, чтобы их синтезировать, и на то, чтобы они работали. Если мозг отказался от части ионных каналов, у него появилась возможность направить лишнюю энергию на что-то другое — например, на формирование более сложных синапсов между нейронами. Кроме того, те ионные каналы, которые у человеческого мозга и так есть, могли бы научиться более эффективно использовать энергию для возбуждения электрического потенциала.

Так или иначе, мозг человека — по крайней мере, насколько мы может судить по клеткам одного из слоёв коры — отличается от мозга других млекопитающих на уровне отдельных нейронов, и это отличие должно сказываться на каких-то особенностях функционирования мозга в целом. В перспективе авторы работы хотят точно так же изучить мозг человекообразных обезьян, которые наиболее близко стоят к человеку в эволюционном плане — так удастся понять, когда именно в мозге уменьшилась плотность ионных каналов и какие генетические изменения этому способствовали.