Извилины в мозге — не биологический баг, а гениальный лайфхак эволюции для ускорения мышления

Группа нейробиологов из Калифорнийского университета в Беркли опровергла устоявшееся представление о природе извилин мозга: оказалось, многочисленные бороздки на поверхности главного органа нервной системы появились не из-за того, что черепная коробка слишком тесная. Всё гораздо сложнее.

Исследование, опубликованное в The Journal of Neuroscience , показало: глубина даже самых мелких борозд напрямую связана с интеллектом. Например, детей и подростков эти микроскопические углубления усиливают связь между латеральной префронтальной и латеральной теменной корой – областями, отвечающими за логику и другие сложные когнитивные процессы.

Природа оказалась удивительно изобретательной: бороздки физически сближают важные участки мозга, сокращая расстояние между ними и ускоряя передачу нервных импульсов. Более того, особенности строения этих мельчайших углублений, называемых третичными бороздами, могут служить природными маркерами предрасположенности к определенным типам мышления или вовсе указывать на риск развития неврологических расстройств.

Профессор Сильвия Бунге, сотрудник Института нейробиологии имени Хелен Уиллс, рассказывает об истоках исследования: "Мы заметили связь между глубиной борозд и способностью к рассуждению у молодых людей. Опираясь на эти наблюдения, наша коллега Суви Хяккинен решила проверить, как зависимость проявляется на практике и какую роль играет согласованная активность между префронтальной и теменной зонами".

Профессор Кевин Вайнер, соавтор исследования, добавляет: "Наши предположения о функциональных связях между определенными третичными бороздами в латеральной префронтальной и теменной коре полностью подтвердились. Мы считаем, что формирование борозд уменьшает дистанцию между связанными участками мозга, повышая эффективность нейронных сетей и, как следствие, улучшая когнитивные способности".

В эволюции разных видов можно проследить любопытную закономерность. Мозг большинства животных, включая многих млекопитающих, обладает гладкой поверхностью. Складчатая структура появляется только у приматов, причем с разной степенью выраженности. Например, у мармозеток – представителей обезьян Нового Света – бороздки едва различимы. У человека же они достигают впечатляющей глубины: в них скрыто от 60 до 70% всей коры.

Рисунок извилин не остается неизменным на протяжении жизни. Окончательная структура формируется на завершающих этапах внутриутробного развития, а в пожилом возрасте складки становятся менее выраженными. "Глубина борозд может меняться, серое вещество – утолщаться или истончаться в зависимости от жизненного опыта. Однако общая конфигурация остается уникальной для каждого человека: размер, форма, расположение и даже наличие некоторых борозд – это стабильные индивидуальные особенности", – поясняет Бунге.

Опять же, особый интерес для ученых представляют самые мелкие бороздки – третичные, многие из которых встречаются исключительно у человека. Они формируются последними в процессе развития плода и никогда не достигают глубины основных, первичных борозд. Научное сообщество выдвигает гипотезу: эти структуры возникают в тех зонах мозга, которые претерпели наибольшие изменения в ходе эволюции Homo sapiens. Вероятно, они тесно связаны с теми аспектами интеллекта – способностью рассуждать, планировать действия, принимать решения и контролировать импульсы, – которые продолжают совершенствоваться на протяжении всего подросткового периода.

Интересно, что во время обучения в университете ни Вайнер, ни Бунге преподаватели так и не объяснили, как находить и распознавать третичные борозды на снимках мозга. На занятиях будущим ученым демонстрировали лишь обобщенные схемы, которые сильно отличались от реальных томограмм пациентов.

"Тогда я заметил, что некоторые извилины на моих снимках отсутствовали в стандартных атласах мозга. Я спросил своих наставников, Сабину Кастнер и Чарли Гросса: 'У меня какой-то особенный мозг, или в атласах чего-то не хватает?' Этот вопрос привел к пятнадцатилетнему исследованию одной конкретной третичной борозды в зрительной коре", – вспоминает Вайнер.

Размеры исследуемой структуры поражали своим разбросом: от крошечных трехмиллиметровых желобков до внушительных углублений длиной в семь сантиметров. Анализ показал интересную зависимость – протяженность этой борозды напрямую влияла на способность мозга идентифицировать лица. У людей с врожденной прозопагнозией – редким состоянием, при котором здоровый мозг не может узнавать лица (около 2% населения), – эта анатомическая структура, в особенности в правой половине мозга, оказалась заметно короче и менее глубокой.

В 2018 году опыты продолжились в Беркли, где Вайнер сосредоточился на префронтальной коре – области за лобной костью. Объединив усилия с Бунге, нейробиолог погрузился в изучение того, как особенности строения этого участка мозга определяют развитие логического мышления. К 2021 году научный тандем создал детальную карту мельчайших складок префронтальной зоны и с помощью компьютерного моделирования доказал: именно третичные структуры играют ключевую роль в формировании интеллекта у подрастающего поколения.

Следующий этап работы охватил новую область. Ученые тщательно нанесли на карту все микроскопические извилины в латеральной теменной области – участке под теменной костью за макушкой головы. Затем они проследили, как эти структуры взаимодействуют с аналогичными образованиями в префронтальной зоне.

В эксперименте приняли участие 43 добровольца в возрасте от 7 до 18 лет, включая 20 девушек. Каждому участнику предложили решать логические задачи, пока аппарат функциональной магнитно-резонансной томографии фиксировал нейронную активность. Команда сосредоточилась на работе 21 борозды в каждом полушарии, впервые включив в анализ и третичные структуры. У тех участников, чьи борозды оказались глубже, наблюдалась более высокая сетевая централизация – то есть лучшее взаимодействие между префронтальными и теменными участками.

Бунге особо подчеркивает: связь между глубиной борозд и способностью к рассуждению прослеживается не для всех структур. "Мы не утверждаем, что складки коры жестко определяют интеллектуальные возможности человека. Работа мозга зависит от множества анатомических и функциональных особенностей. Важно понимать: качественное образование серьезно влияет на развитие познавательных способностей, причем этот процесс продолжается даже во взрослом возрасте".

Сейчас лаборатория Вайнера разрабатывает инновационное программное обеспечение для идентификации третичных борозд. Существующие программы распознают лишь около 35 желобков, тогда как с учетом третичных их количество превышает сотню. Более того, исследователи постоянно обнаруживают новые, ранее не описанные структуры.

Ученые предлагают использовать борозды в качестве анатомических ориентиров при сравнении мозга разных людей. Это особенно актуально, учитывая высокую индивидуальную вариабельность строения органа. Врачи смогут точнее диагностировать неврологические заболевания, планировать операции и оценивать результаты лечения. Сравнительный анализ необходим и для понимания причин различных когнитивных нарушений – например, почему у людей с одинаковыми травмами могут проявляться разные симптомы. Кроме того, детальное картографирование индивидуальных особенностей строения может помочь в разработке персонализированных методов терапии.

"За последнюю пятилетку специалисты создали десятки анатомических атласов, но в них по-разному представлены нейронные связи между зонами коры. А самое главное – обобщенные схемы часто не совпадают с тем, что мы видим при обследовании конкретных пациентов", – объясняет Вайнер.