Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Белое вещество: мозг гибкий, но недооцененный супермагистраль

Исторически, серое вещество обычно считалось измельчителем органов мозга, а белое вещество было просто обезьяной. Но в последние годы стало ясно, что обезьяна так же важна, как и ее хозяин.

Поперечное сечение мозга и проводки


Имеет ли значение белое вещество?

Наше изящно сложенное серое вещество долгое время было выставочным пони мозга; это имеет дело с тяжелым сокращением числа, на которое все мы полагаемся, чтобы иметь смысл мира. Считалось, что белое вещество просто выполняет задачу ретрансляции сообщений туда и обратно, всего лишь набор пассивных проводов.

Несмотря на то, что в этом разделении труда есть доля правды, белое действительно имеет огромное значение. По мере роста научных знаний важность белого вещества становится все более очевидной. В настоящее время известно, что этот нейронный информационный канал вовлечен в целый ряд состояний и заболеваний и играет жизненно важную роль в функционировании мозга, обучении и координации отдаленных мозговых центров.

Что такое белое вещество?

Белое вещество составляет основную часть глубоких частей мозга. В отличие от серого вещества, которое достигает пика в развитии, когда нам 11 или 12 лет, белое вещество продолжает хорошо развиваться в наши 20 лет (и, возможно, более тонким способом, в наши 50).

Он состоит из пучков аксонов или путей, которые представляют собой длинные тонкие выступы нервных клеток. Как следует из названия, белое вещество белее серого, и его знаменитая белизна обусловлена ​​восковым налетом, называемым миелином, который находится на каждом из аксонов.

Myelinated axon gif. Предоставлено: Dr Jana

Миелиновый аксон по сравнению с демиелинизированным аксоном.
Фото предоставлено Dr Jana

Миелин покрывает поверхность всех нервных клеток, оставляя небольшие промежутки — также известные как узлы Ранвье — каждый миллиметр или около того.

В миелинизированных нервах вместо импульса, проходящего по длине клетки, как это происходит в сером веществе, он может прыгать от узла к узлу, увеличивая скорость проводимости.

Как основная мессенджерная служба мозга, миелинизация позволяет белому веществу передавать заметки между отдаленными регионами с головокружительной скоростью.

На самом деле, миелинизированные нервы могут переносить импульсы до 100 раз быстрее, чем немиелинизированные волокна.

В мозге миелин откладывается клетками, называемыми олигодендроцитами. При рождении охват миелином относительно невелик; миелинизация движется волной, сначала покрывая белое вещество в коре головного мозга, ближайшей к затылку, и постепенно продвигаясь вперед, наконец покрывая лобные доли в середине-конце 20-х годов.

Лобные доли важны для планирования, рассуждения и суждения. Некоторые ученые предполагают, что ограниченная миелинизация этих областей у молодежи может объяснять неспособность подростков принимать соответствующие решения для взрослых.

Поскольку научный интерес к белому веществу возрос, стало ясно, что это далеко не пассивный кусок кабелей; он динамичен — его объем растет и уменьшается с опытом, он обрабатывает информацию, а не просто бездумно передает данные между точками.

Белое вещество при психических заболеваниях

Определенные состояния уже давно связаны с повреждением миелиновой оболочки. Например, иммунная система людей с синдромом Гийена-Барре и рассеянным склерозом атакует миелин, вызывая постепенно усиливающуюся слабость это может закончиться параличом.

Но в последнее время изменения в миелине были связаны с рядом психических состояний, таких как шизофрения, крупная депрессия, аутизм, посттравматическое стрессовое расстройство, болезнь Альцгеймера, дислексия, синдром дефицита внимания и гиперактивности, обсессивно-компульсивное расстройство и у Туретта. Белое вещество даже замешано в заикании и тонусе глухоты.

Одним из наиболее изученных психиатрических состояний в отношении белого вещества является шизофрения. Одно исследование, в котором изучалось 6000 генов в префронтальной коре шизофренического мозга, предоставило невероятные доказательства: из 89 генов, которые были обнаружены ненормально регулируемыми, 35 были вовлечены в миелинизацию.

В других исследованиях изучалось посмертное состояние белого вещества, при этом некоторые демонстрировали аномалии в трактах белого вещества и уменьшали количество олигодендроцитов в некоторых областях мозга.

Фактически, совсем недавно было показано, что тракты белого вещества по большей части мозга разрушаются при шизофрении.

Шизофрения имеет тенденцию развиваться в подростковом возрасте, когда переднему мозгу наконец наносят миелиновое покрытие. Некоторые ученые считают, что это может быть не просто совпадением.

Являются ли эти изменения причиной состояния или следствием нарушения функции мозга, еще предстоит выяснить, но это, вероятно, переплетенный двусторонний путь. Доказательством этого является документ, опубликованный в 2007 году доктором Габриэлем Корфасом. Он показал, что нарушение генетического контроля олигодендроцитов может вызвать поразительные изменения в поведении, подобные тем, которые наблюдаются при шизофрении.

Просмотр белого вещества

Процедура визуализации, называемая диффузионно-тензорной визуализацией (DTI), основанная на технологии MRI, отображает относительное движение воды в тканях. Он может быть использован для наблюдения белого вещества.

Белое вещество - Кредит изображения - Thomas Schultz

DTI изображение, показывающее участки белого вещества.
Изображение предоставлено: Thomas Schultz

DTI основан на предпосылке, что в нормальных тканях головного мозга вода с одинаковой вероятностью движется в любом направлении.

Однако в трактах, которые ориентированы параллельно и покрыты миелином, более вероятно, что они будут двигаться вдоль них, а не из стороны в сторону.

С помощью этой технологии можно наблюдать микроструктуру белого вещества; более плотно упакованные волокна с более толстыми миелиновыми слоями дают более сильные сигналы DTI. Эта относительно новая технология была использована для поиска связей между белым веществом и когнитивными результатами.

В одном исследовании, например, была обнаружена связь между структурой белого вещества и IQ, авторы которой пришли к выводу, что «когнитивная функция коррелирует с большей организацией волокон». Точно так же другие ученые обнаружили связь между качеством белого вещества в мозгу взрослого человека и его способностью читать.

Исследователи также продемонстрировали, что использование нашего мозга определенным образом может изменить структуру белого вещества. Например, один эксперимент обнаружил, что регулярное использование музыкального инструмента повышает уровень организации внутри белого вещества в областях, важных для музыкального исполнения. Исследователи показали, что количество изменений было пропорционально количеству часов, которые практиковал человек. Чем больше вы работаете, тем больше белого вещества модифицируется.

Как миелинизация вписывается в историю

У животных, которые могут ходить и кормиться очень скоро после рождения, например, у лошадей и мышей, миелинизация почти завершена к рождению. Однако, как уже упоминалось, миелинизация у людей продолжается до 20-30 лет. Тот факт, что это занимает так много времени, является хорошим признаком того, что он выполняет больше, чем просто изолирующую роль.

Увеличенное время, которое миелинизация занимает у людей, совпадает с тем же периодом времени, когда кора головного мозга человека претерпевает огромную перестройку синаптических связей. Понятно, что это ремоделирование модифицирует мозг в соответствии с опытом. По этой причине некоторые исследователи считают, что миелин и, следовательно, белое вещество играют роль в формировании мозга через наш опыт по мере нашего развития.

Эта теория звучит правдоподобно в ряде исследований на животных. Например, исследование луговых полевок Аляски показало, что миелинизация мозга регулируется сезонными изменениями продолжительности дня. Животные, которые содержались в среде с постоянно длинными днями, имели больший объем белого вещества.

У крыс стресс в течение последних 6 дней беременности вызывает усиление миелинизации у потомства в первые 2-3 недели жизни, при этом уровни возвращаются к норме к 40 дню.

И наоборот, более приятный опыт также может изменить структуру белого вещества. Количество олигодендроцитов увеличивается в зрительной коре крыс, которые выращиваются в обогащенной среде, включая социальное взаимодействие и вещи, с которыми можно играть.

Некоторые исследования на людях также обнаружили взаимосвязь между ранним опытом и объемом белого вещества. Исследование, опубликованное в «Биологической психиатрии», сравнило мозг детей, которые подвергались насилию или пренебрежению, с мозгом детей, которые этого не делали.

Тело мозолистого тела, то есть самая большая структура белого вещества в мозге, которая соединяет левое и правое полушария головного мозга, оказалось на 17 процентов меньше у тех, кто подвергся насилию.

Почему восковое пальто так важно?

Короче говоря, у нас нет полного ответа на этот вопрос, но есть несколько убедительных тем для выбора.

Синхронность серого вещества важна для развития нервной системы и обучения. Поговорка гласит: «Нейроны, которые работают вместе, соединяются вместе». Другими словами, нейроны, которые стреляют синхронно, с большей вероятностью становятся постоянно связанными; нервы, которые стреляют вместе, считаются важными и будут укреплены и сохранены.

Мелинизированный аксон. Изображение предоставлено Roadnottaken


Поперечное сечение миелинизированного аксона с несколькими слоями миелина.
Изображение предоставлено: Roadnottaken

Теперь, если два нерва, которые работают вместе, находятся на разных расстояниях и идентичны, сигналы не будут поступать вместе; чтобы координировать стрельбу, один из аксонов должен быть ускорен или замедлен.

Точность в миллисекундах очень важна.

Когда мы выполняем сложную задачу, такую ​​как игра на инструменте, информация отправляется из ряда мозговых центров и перемещается туда-сюда. Синхронность обязательна, и просто отправка сообщений с максимально возможной скоростью не будет жизнеспособным решением.

По мере того, как появляются новые открытия, становится ясно, что миелин играет ключевую роль в развитии синхронности, и он может изменять скорость проводимости участков белого вещества разными способами.

Например, миелин может физически изменять диаметр аксона (более широкие нервы быстрее передают сигналы). Кроме того, олигодендроциты могут изменять количество слоев миелина, которые они укладывают, что может составлять до 150 листов на волокно, что опять-таки изменяет скорость проводимости. Кроме того, изменяя число или расстояние между узлами Ранвье, можно изменять скорости, увеличивая количество узлов, замедляя импульсы.

Мы только начинаем разбираться с механизмами влияния белого вещества на когнитивные функции, но уже открываются потенциальные возможности.

Белое вещество так же важно для работы мозга, как и его серый сосед; Он динамичен, вовлечен в обучение и помогает нам сложить навыки и воспоминания. Без сомнения, поскольку исследования продолжаются, и картина становится все острее, важность миелина и белого вещества будет продолжать расти.

Белое вещество действительно имеет значение.