главный баннер

Нейросеть познает Вселенную

Когнитивное долголетие: как мозг сочетает постоянство и изменчивость

Нейропластичность и гематоэнцефалический барьер: единство стабильности и динамики в обеспечении когнитивных функций

Головной мозг функционирует как система, поддерживающая баланс между молекулярной стабильностью и структурной динамикой. Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) обеспечивает гомеостаз внутренней среды, в то время как нейропластичность служит механизмом её структурно-функциональных преобразований. Современные исследования в области молекулярной нейробиологии показывают, что нейроны экспрессируют специфический набор генов, многие из которых не активны в других типах клеток [11].

Ключевым аспектом нейропластичности является реактивация в зрелом мозге генетических программ, характерных для эмбрионального развития. Исследования молекулярных основ памяти, включая работы Эрика Канделя [12], демонстрируют, что формирование долговременной памяти и устойчивых навыков не сводится к биохимическому усилению существующих синаптических связей. Этот процесс сопровождается активацией генов, которые в эмбриональный период регулируют рост аксонов, миграцию нейронов и формирование синапсов.

Данный механизм лежит в основе структурной пластичности — способности мозга образовывать новые синапсы, модифицировать существующие связи и перестраивать нейронные сети [13]. С биологической точки зрения, обучение и адаптация представляют собой контролируемую реактивацию эволюционно консервативных механизмов нейронального роста и дифференцировки в зрелом мозге [14].

Высокая пластичность, однако, требует строго контролируемой молекулярной среды. Согласно данным исследований нейровоспаления, нерегулируемое проникновение цитокинов, антител или патогенов в мозговую ткань способно спровоцировать деструктивные процессы, которые могут имитировать или нарушать механизмы синаптогенеза [15][16]. Гематоэнцефалический барьер, ограничивая диффузию потенциально опасных молекул, обеспечивает стабильность интерстициальной среды. Это позволяет механизмам пластичности реагировать преимущественно на физиологически значимые стимулы — опыт и обучение [17]. Таким образом, ГЭБ выступает необходимым условием для точной и целенаправленной реорганизации нейронных сетей [19].

С эволюционной точки зрения, строгая изоляция мозговой ткани обусловлена высокой адаптивной ценностью нейропластичности. Способность к непрерывному самообновлению на основе опыта представляет собой ключевую функцию, для защиты которой, вероятно, сформировался энергозатратный гематоэнцефалический барьер [18].

Заключение
Таким образом, эффективная работа мозга обеспечивается синергией двух принципов: стабильности внутренней среды, гарантируемой ГЭБ, и структурной динамики, реализуемой через механизмы нейропластичности. Стабильность создаёт условия для точности нейрональных процессов, а пластичность обеспечивает адаптацию и обучение. Их взаимодействие лежит в основе когнитивных функций, таких как память, сознание и способность к непрерывному развитию в течение жизни. Понимание этого единства имеет фундаментальное значение для нейронаук и открывает перспективы для разработки методов нейрореабилитации и поддержания когнитивного здоровья.

Источники:

  1. Савельев, С. В. Происхождение мозга / С. В. Савельев. – Москва : Веди, 2005. – 368 с. – ISBN 5-94624-025-0. 
  2. Structure and function of the blood-brain barrier / N. J. Abbott [et al.] // Neurobiology of Disease. – 2010. – Vol. 37, № 1. – P. 13–25.
  3. Mammalian neural stem cells / F. H. Gage [et al.] // Science. – 2000. – Vol. 287, № 5457. – P. 1433–1438. DOI: 10.1126/science.287.5457.1433 
  4. Principles of neural science / E. R. Kandel [et al.]. – 6th ed. – New York : McGraw-Hill Education, 2021. – 1696 p. – ISBN 978-1259642234.
  5. Камкин, А. Г. Физиология и молекулярная биология мембран клеток : учеб. пособие для студентов медицинских вузов / А. Г. Камкин, И. С. Киселева. – Москва : Академия, 2008. – 584 с. – (Высшее профессиональное образование. Медицина). – ISBN 978-5-7695-4099-8. 
  6. Structure and function of the blood-brain barrier / N. J. Abbott [et al.] // Neurobiology of Disease. – 2010. – Vol. 37, № 1. – P. 13–25. DOI: 10.1016/j.nbd.2009.07.030 
  7. The blood-brain barrier / R. Daneman, A. Prat // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. – 2015. – Vol. 7, № 1. – Art. a020412. DOI: 10.1101/cshperspect.a020412
  8. How do immune cells support and shape the brain in health, disease and aging? / M. Schwartz [et al.] // Nature Neuroscience. – 2023. – Vol. 26, № 5. – P. 645–656. DOI: 10.1038/s41593-023-01293-x
  9. Innate immunity: an overview / B. Beutler [et al.] // Molecular Immunology. – 2004. – Vol. 40, № 12. – P. 845–859.  DOI: 10.1016/j.molimm.2003.10.005
  10. Inflammation at the blood-brain (spinal cord) barrier: how it contributes to neurodegeneration / R. M. Ransohoff, M. A. Brown // Journal of Clinical Investigation. – 2024. – Vol. 134, № 3. – Art. e179825. DOI: 10.1172/JCI179825
  11. An RNA-sequencing transcriptome and splicing database of glia, neurons, and vascular cells of the cerebral cortex / Y. Zhang [et al.] // Journal of Neuroscience. – 2014. – Vol. 34, № 36. – P. 11929–11947. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1860-14.2014
  12. The molecular biology of memory: cAMP-dependent protein kinase attacks the problem / E. R. Kandel [et al.] // Scientific American. – 1989. – Vol. 261, № 3. – P. 56–64.
  13. Experience-dependent structural synaptic plasticity in the mammalian brain / A. Holtmaat, K. Svoboda // Nature Reviews Neuroscience. – 2009. – Vol. 10, № 9. – P. 647–658.  DOI: 10.1038/nrn2699
  14. Mammalian neural stem cells / F. H. Gage // Science. – Washington : American Association for the Advancement of Science, 2000. – Vol. 287, № 5457. – P. 1433–1438.  DOI: 10.1126/science.287.5457.1433 
  15. Microglia and brain macrophages in the molecular age: from origin to neuropsychiatric disease / M. Prinz, J. Priller // Nature Reviews Neuroscience. – 2014. – Vol. 15, № 5. – P. 300–312. DOI: 10.1038/nrn3722 
  16. Paraneoplastic and autoimmune encephalitis: an emerging group of treatable neurological disorders / J. Dalmau, M. R. Rosenfeld // Current Opinion in Neurology. – 2024. – Vol. 37, № 3. – P. 201–208. DOI: 10.1097/WCO.0000000000001258
  17. A paravascular pathway facilitates CSF flow through the brain parenchyma and the clearance of interstitial solutes, including amyloid β / J. J. Iliff [et al.] // Science Translational Medicine. – 2012. – Vol. 4, № 147. – Art. 147ra111.  DOI: 10.1126/scitranslmed.3003748 
  18. The blood-brain barrier in neuroimmunology: Tales of separation and assimilation / W. A. Banks, M. A. Brown // Journal of Neuroinflammation. – 2024. – Vol. 21, № 1. – Art. 112.  DOI: 10.1186/s12974-024-03061-6
  19. The molecular and systems biology of memory / E. R. Kandel [et al.] // Cell. – 2014. – Vol. 157, № 1. – P. 163–186. DOI: 10.1016/j.cell.2014.03.002

© Блог Игоря Ураева — Разбираю на атомы — чтобы мир стал понятнее.