Интеллект зависит от качества проводящих путей мозга

Для работы мозга важны не только сами нейроны, но и волокна, образованные длинными отростками нейронов – аксонами. Из тел нейронов состоит кора – серое вещество мозга и подкорковые ядра, а из волокон – белое вещество. Эти проводящие пути, по которым идут нервные импульсы, – своего рода мозговая электропроводка.

Насколько интеллект зависит от качества проводящей системы и в какой степени это задано генетически, изучали ученые факультета нейрологии Калифорнийского университета (Department of Neurology, University of California) в Лос-Анджелесе. По результатам своей работы они построили трехмерную карту мозга с указанием степени генетического влияния на архитектуру проводящей системы.

Близнецы помогают генетикам

Профессор нейрологии Пол Томпсон (Paul Thompson) и его коллеги провели исследования на близнецах. Близнецовый метод обычно используют генетики, когда хотят вычислить коэффициент наследуемости того или иного признака. Среди 23 пар монозиготных и 23 пар дизиготных близнецов (всего 92 человека), которые приняли участие в исследовании, были мужчины и женщины, в среднем 25-летнего возраста.

Ученые измерили уровень их интеллекта (IQ) по специализированным опросникам. Такие опросы позволили оценить не только общий, но и так называемый исполнительный интеллект (пространственная ориентация и группировка объектов), а также вербальный интеллект.

Чтобы получить картину архитектуры проводящих путей, они использовали новейший метод сканирования мозга в высоком магнитном поле (4 Тл). Метод носит название diffusion tensor imaging (DTI), что по-русски переводится как «диффузионно-тензорная визуализация». Он основан на измерении диффузии воды в мозговой ткани и позволяет получить информацию, которую не может дать наиболее распространенный сейчас метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ, fMRI).

Особенности мозговой электропроводки

Архитектура проводящих путей закладывается при развитии мозга в эмбрионе, но в дальнейшем претерпевает изменения под действием обучения и других факторов окружающей среды. Эти факторы могут влиять на количество межнейронных контактов – синапсов, на сложность ветвления дендритов и степень миелинизации аксонов.

О последнем надо сказать особо. Аксоны, по которым нервный импульс идет от одного нейрона к другому, изолированы, как всякие электрические провода. Изоляция – оболочка вокруг аксона -- состоит из миелина (это липопротеид с нулевой проводимостью). Миелиновая оболочка при созревании нейрона образуется при участии клеток особого типа, которые слоями накручиваются на аксон.

По миелинизированному аксону нервный импульс идет в несколько раз быстрее, чем по «голому». Собственно, ток возникает благодаря разности потенциалов на мембране между перемычками – промежутками в миелиновой оболочке.

Из всего этого ясно, что свою роль проводящие пути мозга могут выполнять только в том случае, если они в нужной степени миелинизированы. Миелин белый, поэтому волокна и составляют белое вещество мозга. Так что, изучая архитектуру проводящих путей, ученые фактически изучали степень их миелинизации.

Как течет вода по мозгу

Методом DTI специалисты измеряли скорость и направление движения воды в мозговой ткани, помещенной в высокое магнитное поле. В разных точках мозга вода преимущественно движется в разных направлениях. А направление диффузии определяется миелинизацией – волокна, покрытые миелином, задают пути для движения воды и не дают ей возможности двигаться в сторону от них. Так что, отслеживая направление диффузии, ученые тем самым оценивали степень миелинизации аксонов.

Для каждого человека ученые построили трехмерную карту диффузии, на которой разным цветом обозначили участки, где диффузия идет преимущественно в передне-заднем, лево-правом или верхне-нижнем направлениях. Применив вычисления, которые обычно используют в близнецовом методе, ученые сравнили степень миелинизации у моно- и дизиготных близнецов в разных точках мозга. Так они выяснили, в каких частях мозга степень миелинизации в большей степени задается генетически. Такими частями оказались лобные доли, теменные, а также левая затылочная.

Быстрые волокна – быстрая мысль

На следующем этапе физиологи детально исследовали связь степени миелинизации с интеллектом. Как говорят авторы, такая связь очевидна даже исходя из общих соображений: чем больше скорость проведения нервного импульса, тем быстрее реакция и выше интеллект. Но детали выяснить не менее важно, чем знать общую связь.

Положительную корреляцию между миелинизацией и уровнем интеллекта ученые выявили в нескольких частях мозолистого тела (это структура, связывающая правое и левое полушарие), в пучке волокон под названием лучистый венец и еще в нескольких проводящих пучках.

Характерно, что развитие мозолистого тела позволяет быстрее координировать правое и левое полушария, что несомненно важно для интеллекта. Это подтверждается и анатомическими данными: толщина мозолистого тела положительно связана с уровнем общего, пространственного и вербального интеллекта.

Карта наследования интеллекта

У монозиготных близнецов эта связь оказалась выше, чем у дизиготных, а значит в этой точке мозга велика степень наследуемости как степени миелинизации, так и показателя интеллекта.

Ученые убедились, что по развитию некоторых проводящих путей мозга одного монозиготного близнеца можно предсказать показатели IQ другого близнеца.

На итоговой трехмерной карте мозга показано мозолистое тело как зона наибольшей наследуемости миелинизации (почти 100%), теменная доля (85% наследуемости), затылочная (76%), лобная (65%) и височная (45%).

В некоторой степени эту карту можно считать и картой степени наследования интеллектуальных способностей. Правда, ученые не выявили роль миелинизации в развитии вербального интеллекта. Возможно, говорят они, он в меньшей степени зависит от скорости проведения импульсов.

Работа открывает путь для поиска генов, полиморфизм которых влияет на степень миелинизации аксонов. По-видимому, к ним относится ген Neuregulin 1 (NRG 1), связанный со снижением плотности белого вещества, ген Bace 1, связанный с недостаточной миелинизацией аксонов в гиппокампе и зрительном нерве.

Работа опубликована в журнале Journal of Neuroscience.