Обнаружена сеть структур мозга, старение которой зеркально отражает ее развитие

Рис. 1. У двух признаков, выявленных при анализе изображений мозга испытуемых, была обнаружена явная зависимость от возраста. Первый признак — это общий объем серого вещества, который с возрастом в среднем убывал (слева). Второй — объем сети определенных структур мозга, которая развивалась позже и начинала деградировать раньше прочих (справа). Развитие этой сети описывалось симметричной кривой с пиком около 40 лет. Графики из обсуждаемой статьи в PNAS

Давно существует красивая теория о том, что старение представляет собой зеркальное отражение процессов развития. Ученые из Норвегии сравнили изображения мозга 484 испытуемых разного возраста — от 8 до 85 лет. Им удалось выявить сеть структур мозга, отвечающих за интеллектуальные способности и эпизодическую память, которая действительно изменяется с возрастом зеркально: позже других областей достигает пика развития (к сорока годам) и начинает деградировать раньше других. Интересно, что структуры этой сети в наибольшей степени подвержены нарушениям при таких умственных расстройствах, как болезнь Альцгеймера и шизофрения.

Чтобы понять, состояние каких структур мозга связано с возрастом, нужно собрать как можно больше структурных изображений мозга людей разных возрастов. Норвежские исследователи делали снимки мозга с помощью магнитно-резонансной томографии, которая позволяет увидеть области серого вещества (тела нейронов). В исследовании принимали участие 484 испытуемых в возрасте от 8 до 85 лет. Для анализа полученного массива изображений использовался метод независимых компонент (см. Independent component analysis), который позволяет представить исходные данные как набор признаков, которые в наибольшей степени различаются у разных испытуемых.

Автоматически выявленные признаки не обязательно имеют какую-то очевидную интерпретацию, и задача исследователей — понять, для каких признаков такие интерпретации возможны. Поскольку в данном исследовании ученых интересовали изменения, связанные с возрастом, они искали связь автоматически найденных признаков с возрастом испытуемых. Оказалось, что лишь два признака имеют явно выраженную зависимость от возраста. Первый — общий объем серого вещества, который монотонно уменьшался с возрастом, его изменчивость зависела от возраста на 90%. Второй — объем некой сети структур мозга, который изменялся более интересным образом: график имел форму перевернутой буквы U. Структуры этой сети развиваются относительно поздно и начинают деградировать быстрее прочих компонентов мозга (рис. 1).

Из каких структур состоит обнаруженная сеть, развивающаяся во времени «зеркально»? В нее входят области коры головного мозга, занимающиеся высокоуровневой обработкой информации — то есть не ограничивающиеся информацией лишь одной модальности, например зрительной или слуховой. Поэтому такие структуры называются гетеромодальными. К ним относятся нижневисочная кора, нижнетеменная кора и префронтальная кора (в сеть входили не все эти области, а только определенные их части). Кроме того, в сеть были включены некоторые лимбические и паралимбические структуры — в частности, задняя поясная кора, по-видимому связанная с формированием «модели себя» (показано, что эта область активируется, когда человек думает о себе, и отключается во время медитации (см. K. A. Garrison et al., 2013. Effortless awareness: using real time neurofeedback to investigate correlates of posterior cingulate cortex activity in meditators' self-report), а также медиальная височная доля, роль которой связывают с формированием мотиваций и эмоций, а также самоконтролем. Какие именно регионы входили в обнаруженную сеть, можно увидеть на рис. 2 (средний ряд, выделены оранжевым цветом).

Рис. 2. Сравнение структур сети, развивающейся с возрастом «зеркально» (выделены оранжевым), а также областей, в наибольшей степени подверженных деградации при болезни Альцгеймера (выделены синим), и областей, для которых характерны самые сильные нарушения развития при подростковой шизофрении (выделены зеленым). Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS

Интересно, что структуры обнаруженной сети оказались сходными с участками, наиболее подверженными болезням мозга, которые связывают с нарушением развития (подростковая шизофрения) и нарушением нормального старения (болезнь Альцгеймера). Они также показаны на рис. 2. Получается, что для обнаруженной сети выявляется интересная связь процессов развития и старения: ее структуры наиболее подвержены нарушениям при патологиях как развития, так и старения мозга. Интересно, что выявить такую подверженную заболеваниям мозга сеть структур удалось по данным здоровых испытуемых.

Развитие обнаруженной сети во времени немного различалось у женщин и у мужчин: у женщин пик был более выраженным и появлялся в несколько более позднем возрасте (41 год у женщин и 39 лет у мужчин; рис. 3). Причем симптомы шизофрении и болезни Альцгеймера у женщин также проявляются в среднем несколько позже, чем у мужчин, что косвенно может подтвердить связь функционирования выявленной сети с процессами развития и старения.

Рис. 3. Сравнение развития структур сети, меняющейся с возрастом «зеркально», у женщин (график слева) и мужчин (график в центре). На рисунке справа графики совмещены для удобства сопоставления. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в PNAS

Структуры сети были связаны с интеллектуальными способностями и эпизодической памятью. Так, уровень развития сети у испытуемых хорошо коррелировал с показателями тестов на подвижный интеллект (способность решать задачи независимо от предыдущего опыта) и теста на запоминание слов (California Verbal Learning Test). Баллы за тест на кристаллизовавшийся интеллект (способность использовать имеющиеся знания и навыки) хорошо коррелировали с развитием сети только у испытуемых до сорокалетнего возраста (то есть до достижения пика развития сети), а потом выходили на практически постоянный уровень.

К сожалению, метод магнитно-резонансной томографии, использованный в работе, не позволяет определить, какие именно клеточные процессы ответственны за макроскопические изменения, пик которых достигается к 40 годам. Найти механизмы, которые, возможно, связывают процессы развития и старения мозга, еще только предстоит.

Выявленная сеть структур в мозге, таким образом, связана с когнитивными функциями, нарушения которых являются симптомом патологий нормальных процессов развития и старения. Патологические процессы, характерные для подростковой шизофрении и болезни Альцгеймера, проявляются во время развития или старения мозга. Возможно, именно в эти периоды легче всего повлиять на выявленную систему структур мозга, состояние которой в наибольшей степени зависит от возраста и в которой процессы развития и старения отражают друг друга.

Источник: G. Douaud et al. A common brain network links development, aging, and vulnerability to disease // PNAS. December 9, 2014. V. 111. № 49. P. 17648–17653. Doi:10.1073/pnas.1410378111.

Юлия Кондратенко