Границ для человеческих возможностей просто не существует. Но, вот как мы их используем и используем ли вообще, как раз зависит от работы нашего мозга. Большинство из нас, как доказали ученые, используют свой мозг всего лишь на 2-3%. К тому же, как показывают последние медицинские исследования, основанные на многочисленных десятилетних экспериментах и в которых принимали участие более 7000 добровольцев, наш мозг начинает стареть уже после 45 лет. Так что, нужно пытаться до этого времени использовать его по максимуму.
Причем, в ходе экспериментов, проявилась интересная тенденция, мужчины свой интеллектуальный потенциал теряют быстрее, чем женщины. По мнению ученых необходимо постоянно и максимально задействовать свой умственный потенциал. У любознательной личности, имеющей массу увлечений, значительнее повышаются возможности мозга, к тому же, открываются совершенно неизведанные ранее способности.
К тому же, наш мозг имеет немало врагов. Например, регулярное употребление алкоголя, провоцирует отмирание клеток гипофиза, что для работы мозга является просто убийственным. Постоянные стрессы и недосыпания также приводят к истощению нашего мозга. Ранее считалось, что наш мозг работает, как единое целое и утрачивает способности в результате нарушений его структуры. Но последние медицинские исследования показали, что некоторые фрагменты мозга берут на себя все функции поврежденных участков. Особенно удивил ученых и медиков тот факт, что каждое полушарие является своего рода «отдельной личностью» со своими воспоминаниями, эмоциями и знаниями. Поэтому порою у людей случаются случаи «раздвоения» сознания, а порою появляется чувство, что в нас живут два совершенно разных человека.
Обсуждение
Таким образом, на примере магнитных наночастиц мы показали, что возможен транспорт частиц из носа в мозг в обход ГЭБ внутри нейрональных клеток. Более того, процесс назального транспорта частиц зависит от активности нейронов. Так как данные наночастицы схожи по размерам и другим физическим свойствам с респираторными вирусами, можно предположить что транспорт вирусов в нервную систему возможен не только путем проникновения через ГЭБ [14]. Таким образом, найденный способ транспорта наночастиц в обход ГЭБ дает основу для исследования передачи вирусных заболеваний этим путем, а также для создания новых противовирусных препаратов. Особой актуальностью обладает исследование транспорта SARS-CoV-2, так как одним из симптомов коронавирусной инфекции является потеря вкуса и обоняния.
Что такое когнитивные способности
Дня начала прочтите предложение.
Вы прочли его за долю секунды и осознали его смысл куда быстрее. Но что происходило за это время в вашем мозге? Наши глаза — это просто видеокамера, по нынешним временам не самая технологичная. Они улавливают свет и превращают его в поток сигналов. Чтобы обработать и воспринять это изображение, нужен мозг. Итак, вы распознали очертания букв и сравнили их с теми, что хранятся в вашей памяти. Так непонятные значки обрели свой тип, эта закорючка — буква «Г». Вы знаете об этом, потому что в вашем мозге огромная картотека похожих силуэтов. Вы можете узнать букву «Г», каким бы шрифтом она не была написана. И этот процесс называется «восприятие». Глаза просто видят букву, но у вашего мозга на неё заведено целое дело, он знает, что это буква славянского алфавита, что она может обозначать глухой и звонкий звук. И так с каждой буквой слова.
Вы складываете буквы в слово и воспринимаете его, а затем и всё предложение. Вы осознаёте его смысл, улавливаете предупреждение, потому что включилось в процесс мышление. Человеческий мозг выполняет работу, которую не может повторить ни одна нейросеть за доли секунды, ваш мозг невероятно силён, но и он не может улавливать абсолютно все сигналы. Говоря простым языком, он просто «перегорит». Поэтому мы постоянно используем ещё одну способность —
внимание, чтобы отделять важное от неважного.
Описанные способности: память, восприятие, мышление, внимание — называются когнитивными способностями или когнитивными функциями. Эти способности делают человека разумным, однако если физиологически все люди примерно одинаковы, то способности мышления у нас разные. Даже люди одной расы и возраста, принадлежащие к одной семье, могут сильно отличаться друг от друга. Во многом развитие когнитивных способностей у детей влияет на выбор профессии и качество взрослой жизни.
Когнитивное развитие (от англ. Cognitive development) — развитие всех видов мыслительных процессов, таких как восприятие, память, формирование понятий, решение задач, воображение и логика. Теория когнитивного развития была разработана швейцарским философом и психологом Жаном Пиаже.
Описание эксперимента и результаты
Для более точной визуализации транспорта веществ в мозг через носовую полость мы использовали наночастицы оксида марганца (Mn3O4, диаметр ~34 нм). Введя их в одну ноздрю мыши, можно увидеть положение наночастиц при томографии (рис. 3).
Рисунок 3. Томограмма обонятельной луковицы мыши.
(a) — распределение МРТ сигнала по слоям обонятельной луковицы (MOB): гломерулярному слою (GL), наружному плексиформному слою (EPL), слою митральных клеток (ML), слою зернистых клеток (GrL) спустя 24 часа после введения Mn3O4-наночастиц в правую ноздрю. Интенсивность сигнала выделена с помощью псевдоокрашивания (компьютер окрашивает изображение в различные цвета в зависимости от интенсивности МРТ-сигнала). (б) — снимок в присутствии (LTT) и отсутствии (vehicle) ингибитора пресинаптической активности нейрона. Белыми стрелками показаны слои: гломерулярный слой (GL) и слой митральных клеток (ML).
рисунок автора статьи
В ходе работы было проанализировано влияние различных ингибиторов на захват и транспорт наночастиц в головной мозг мыши для ответа на основной вопрос: наночастицы проходят из носовой полости по нейронам или они попадают в нервную систему через внеклеточное пространство [13].
Чтобы проследить путь наночастиц из обонятельного эпителия в обонятельную луковицу, были использованы специфические и неспецифические ингибиторы эндоцитоза, а также вещества, разрушающие плотные контакты клеток обонятельного эпителия. Отличия между ингибиторами эндоцитоза в том, что специфические ингибиторы блокируют захват клетками определенного вещества, а неспецифические снижают общую способность клеток к эндоцитозу. Исходя из полученных данных, мы заключили, что частицы поглощаются клетками ольфакторного эпителия, а не проходят между ними. Также можно сделать вывод, что захват наночастиц происходит без сопряжения с каким-либо веществом, так как специфические ингибиторы эндоцитоза не влияли на уровень МРТ-сигнала.
Чтобы проследить дальнейший путь наночастиц, мы использовали ингибиторы аксонального транспорта (колхицин, лидокаин). Колхицин блокирует перемещение грузов от тела нейронов до синапса; лидокаин подавляет проведение импульсов в нейронах вследствие блокирования натриевых каналов (поэтому наночастицы, попав в нейрон, не могут передаваться дальше в синапс). Оба ингибитора достоверно повлияли на транспорт Mn3O4-наночастиц из носовой полости в мозг. Таким образом, мы показали, что Mn3O4-наночастицы проникают в обонятельную луковицу через аксон, а их транспорт зависит от активности нейрона.
Продолжая двигаться в мозг с наночастицами, мы попадаем во внешний слой обонятельной луковицы. Здесь наночастицы стоят перед выбором: либо идти через синапс в следующий нейрон и дальше транспортироваться по латеральному обонятельному тракту, либо перемещаться через межклеточное пространство.
Понять это возможно посредством влияния блокаторов. Ингибиторы пре- и постсинаптической активности нейронов влияют лишь на стадию транспорта наночастиц из обонятельной луковицы (MOB) в латеральный обонятельный тракт (LOT). Причем значительное влияние оказывают только ингибиторы пресинаптической активности — баклофен и LTT (левитриацетам). Такой эффект появляется из-за того, что наночастицы не работают как нейромедиаторы. Чтобы вызвать у нейрона постсинаптическую активность, вещество должно связаться с рецептором на поверхности нейрона и вызвать появление потенциала действия в нем (передать сигнал дальше по нервной цепочке). Наночастицы не могут связываться со специфическими рецепторами; они попадают в следующий нейрон за счет неспецифического эндоцитоза. Из-за этого ингибиторы постсинаптической активности практически никак не влияют на транспорт наночастиц из обонятельной луковицы в латеральный обонятельный тракт. Поэтому можем сделать вывод: наночастицы передаются транссинаптически по структурам головного мозга, отвечающим за обоняние в обход ГЭБ.
Введение
В организме человека существует специальная система защиты мозга от проникновения в него крупных молекул, в том числе инфекционных агентов — это гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Давайте подробнее рассмотрим его структуру (рис. 1). Первая линия защиты — плотный стой эндотелия капилляров, соединенных плотными контактами. В отличие от большинства капилляров тела, в них нет крупных щелей (пор) для прохождения некоторых белков плазмы [1]. Далее на пути к мозгу находятся перициты (клетки соединительной ткани) и астроциты (вспомогательные клетки в нервной ткани), которые механически не позволяют пройти молекулам крупнее определенного размера. Гематоэнцефалический барьер не пропускает вещества более 400–500 Да по массе, в зависимости от свойства вещества. (Для сравнения, сывороточный альбумин человека, самый распространенный белок в крови, имеет массу 65 000 Да). Также барьер непроницаем для ионов, но пропускает жирорастворимые вещества, воду, кислород, углекислый газ, некоторые обезболивающие и алкоголь (рис. 1).
Рисунок 1. Схема строения гематоэнцефалического барьера.
Э — клетки капилляров, соединенные плотными контактами; A — вещества, не проникающие через ГЭБ; B — вещества, проникающие через ГЭБ каким-либо способом, описанным ниже. Стрелками обозначены белковые системы транспорта веществ внутрь клетки и из нее.
рисунок автора статьи
Таким образом, долгое время считалось, что мозг полностью защищен от проникновения некоторых веществ из крови, пока не было обнаружено возможности прохода через ГЭБ. Такой способ доставки нужен прежде всего для доставки лекарств в нервную систему, поэтому было важно найти способы преодолеть барьер: ослабить клеточные контакты эндотелия (клеточного слоя) капилляров мозга, использовать системы транспорта веществ через мембрану капилляров или проникнуть в мозг с помощью эндоцитоза [2]. У данных способов есть свои недостатки, например, разрушение плотных контактов эндотелия приводило к местному накоплению веществ в мозге, повышению внутричерепного давления и требовало значительного времени на восстановление барьера [3]. Использование систем транспорта растворимых в воде метаболитов для доставки действующего вещества в мозг накладывает ограничения на само вещество. В данном случае оно должно либо имитировать «привычный» для данного белка-транспортера метаболит клетки, либо связываться с метаболитом для прохождения через мембрану [4]. Транспорт веществ путем эндоцитоза (захвата внешнего материала) клетками эндотелия тоже имеет свои недостатки — неспецифический эндоцитоз сведен к минимуму в капиллярах мозга, а специфический эндоцитоз часто включает в себя частичное пропускание вещества. Например, при доставке ионов железа посредством белка ферритином этот белок связывается с рецептором на эндотелии капилляра, проникает в клетку, высвобождает ионы железа для их дальнейшего транспорта в мозг, а потом удаляется из клетки обратно в просвет капилляра [5]. У всех перечисленных выше способов есть общий нюанс — вещество попадает в мозг через кровь, а значит, вещество распределяется равномерно по всему организму, поэтому нужно учитывать его системный эффект. Это накладывает дополнительные ограничения и увеличивает время испытания нового лекарства. В последние десятилетия ученые пытались преодолеть барьер и доставить лекарства с помощью наночастиц, введенных в кровь [6–8].
Наночастицы — собирательное название для группы веществ размером от 1 до 1000 нм. Они могут иметь различаться по форме и своим свойствам, в зависимости от пути преодоления ГЭБа. Это могут быть различные полимеры, натуральные или синтетические, или металлические частицы. Однако пока что наночастицы показывают не лучшие результаты в качестве транспортеров лекарств через барьер, если их вводить в кровь, а способ их проникновения через барьер — все еще спорный вопрос [9]. Как отметил Франческо Элдро, было потрачено много времени на изменение (модификацию) действующих веществ в составе лекарств для преодоления барьера, но гораздо меньше изучали способы их проникновения в мозг [10], [11].
Существуют способы проникнуть в нервную систему, даже минуя стадию попадания в кровь. Конечно, можно просверлить отверстие в черепе и ввести вещество иглой через барьер — это довольно эффективный способ преодолеть ГЭБ. Единственный недостаток в том, что введенное вещество практически не распространяется по мозгу [12]. Но есть и гораздо менее инвазивный вариант — проникнуть в мозг через носовую полость в обход ГЭБа. Рассмотрим, почему этот способ вызывает особый интерес у ученых. Вспомним строение обонятельной системы позвоночных на примере мыши (рис. 2). В носовой полости есть специальный участок скопления рецепторных окончаний нейронов — обонятельный эпителий. От дендритов сигнал проходит через тело, транспортируется по аксону и передается митральной клетке, входящей в состав обонятельной луковицы; место передачи называется синапсом.
Рисунок 2. Строение обонятельной системы.
(a) — строение обонятельной системы мыши в разрезе. ОЭ — обонятельный эпителий, ОЛ — обонятельная луковица, ЛОТ — латеральный обонятельный тракт. (б) — cтроение обонятельной луковицы мыши. АК) — аксоны обонятельных рецепторов, ГС — гломерулярный слой, МС — митральный слой, 1 и 2 — внешний и внутренний плексиформные слои обонятельной луковицы.
рисунок автора статьи
Тела митральных клеток образуют митральный слой, а аксоны этих клеток формируют латеральный обонятельный тракт. По нему передается информация о запахах в центры головного мозга, которые обрабатывают сигнал. Из-за «доступности» такого способа попадания в мозг, который вдобавок не требует серьезных ограничений по структуре и размерам веществ, данная тема требует более подробного анализа.
Данная работа посвящена изучению процесса проникновения наночастиц в головной мозг через носовую полость. Этот путь актуален не только с точки зрения доставки лекарственных препаратов, но и с точки зрения изучения процесса проникновения вирусов в головной мозг. У всех сейчас на слуху специфический симптом коронавирусной инфекции — потеря обоняния, что свидетельствует о возможности неспецифического проникновения любого вещества в нашу нервную систему.
Как работает наш мозг
Мозг определяет наше мышление, отвечает за память, самосознание и любые чувства. Де-факто он создает того, кем мы себя ощущаем. Полушария мозга связаны между собой мозолистым веществом, которое необходимо для передачи информации. При этом их «специализации» различаются. Левое полушарие создает способность мыслить логически, правое же определяет чувственное восприятие и генерирует нашу способность к творчеству.
Мозг синтезирует получаемую информацию, накладывает ее на накопленный опыт памяти и помогает нам мыслить нестандартно, рождает способность к творчеству, воображению, поиску гениальных решений. Если рассматривать животный мир нашей планеты, то можно сделать логичный вывод: человеческий мозг обладает наибольшим числом нейронных связей.
При этом информация о том, что мы используем мозг лишь на 10% от его потенциала – не более чем миф.
Мышление можно и нужно развивать, используя эффективные тренировки и обеспечивая достойные условия совершенствования. Не все упражнения будут полезны, далеко не всегда у вас появится шанс стать гениальным. Однако прогрессировать день ото дня более чем реально.
Сложность упражнений
Сложность заданий должна быть оптимальной. Если она будет слишком низкой, то Вы легко будете справляться, а мозгу не будет нужды перестраиваться. Если, напротив, упражнение окажется слишком сложным — Вы тоже ничего не добьётесь, кроме раздражения из-за собственного бессилия.
Интеллектуальные возможности зависят от времени суток, степени усталости, состояния здоровья и множества других факторов. А значит, сложность должна регулироваться очень гибко.
Результат будет максимальным только тогда, когда Вы занимаетесь на пределе своих возможностей. Практически невозможно добиться этого с помощью традиционных игр, кроссвордов и головоломок, но с этим успешно справляются компьютерные когнитивные тренажёры мозга. Они непрерывно оценивают состояние Ваших когнитивных функций, усложняя или упрощая задания по мере необходимости.
Не сидите без движения
Нравится вам или нет, но физическая активность значительно влияет на мозг и настроение. По данным исследователей, движение улучшаетThe Effect of Movement on Cognitive Performance когнитивные способности. Поэтому найдите вид активности, который вам нравится, и занимайтесь регулярно.
Достаточно простых аэробных упражнений вроде ходьбы. 30–45 минут ходьбы быстрым шагом три раза в неделю помогутExercise, Cognition and the Aging Brain защититься от ментального износа, улучшат эпизодическую память и исполнительные функции мозга примерно на 20%.
