Наше изящно сложенное серое вещество имеет дело с тяжелым вычислением чисел, на которое мы все полагаемся, чтобы понять мир. Считалось, что белое вещество просто выполняет задачу ретрансляции сообщений туда и обратно, представляя собой не более чем набор пассивных проводов.

По мере роста научных знаний важность белого вещества становится все более очевидной. Теперь известно, что эта нейронная информационная магистраль участвует в ряде состояний и заболеваний и играет жизненно важную роль в работе мозга, обучении и координации удаленных мозговых центров.

Что такое белое вещество?

Белое вещество составляет основную часть глубоких отделов мозга. В отличие от серого вещества, которое достигает пика развития, когда нам 11 или 12 лет, белое вещество продолжает хорошо развиваться до 20 лет (и, возможно, более тонкими способами, до 50 лет).

Он состоит из пучков аксонов или трактов, которые представляют собой длинные тонкие выступы нервных клеток. Как следует из названия, белое вещество белее серого вещества, а его знаменитая белизна обусловлена ​​восковым налетом под названием миелин, который находится на каждом из аксонов.

Миелин покрывает поверхность всех нервных клеток, оставляя небольшие промежутки - также известные как узлы Ранвье - каждые миллиметр или около того.

В миелинизированных нервах вместо импульса, идущего по длине клетки, как в сером веществе, он может прыгать от узла к узлу, увеличивая скорость проводимости.

Миелинизация, являющаяся основной службой передачи данных мозга, позволяет белому веществу с головокружительной скоростью передавать записи между удаленными областями.

Фактически, миелинизированные нервы могут переносить импульсы до 100 раз быстрее, чем немиелинизированные волокна.

В головном мозге миелин откладывается клетками, называемыми олигодендроцитами. При рождении покрытие миелином относительно невелико; миелинизация движется волнообразно, сначала покрывая белое вещество в коре головного мозга, ближайшей к затылку, и постепенно продвигаясь вперед, наконец, покрывая лобные доли в возрасте от 25 до 20 лет .

Лобные доли важны для планирования, рассуждений и суждений. Некоторые ученые предполагают, что ограниченная миелинизация этих областей в молодости может объяснить неспособность подростков принимать соответствующие взрослые решения.

По мере того, как к белому веществу проявляется все больший научный интерес, стало ясно, что это далеко не пассивный кусок кабеля; он динамичен - его объем растет и уменьшается с опытом, он обрабатывает информацию, а не просто бездумно передает данные между точками.

Белое вещество при психических заболеваниях

Определенные состояния уже давно связаны с повреждением миелиновой оболочки. Например, иммунная система людей с синдромом Гийена-Барре и рассеянным склерозом атакует миелин, вызывая постепенно нарастающую слабость, которая может закончиться параличом.

Но в последнее время изменения миелина были связаны с рядом психических состояний, таких как шизофрения , большая депрессия , аутизм , посттравматическое стрессовое расстройство , болезнь Альцгеймера , дислексия , синдром дефицита внимания с гиперактивностью, обсессивно-компульсивное расстройство и синдром Туретта. . Белое вещество даже вызывает заикание и глухоту .

Одно из наиболее изученных психиатрических состояний в отношении белого вещества - шизофрения. Одно исследование, в котором изучались 6000 генов в префронтальной коре головного мозга шизофреников, предоставило убедительные доказательства: из 89 генов, у которых обнаружена аномальная регуляция, 35 участвовали в миелинизации.

В других исследованиях изучалось вскрытие белого вещества, при этом некоторые из них демонстрировали аномалии в трактах белого вещества и снижение количества олигодендроцитов в некоторых областях мозга.

Более того, совсем недавно было показано, что при шизофрении нарушаются пути белого вещества в большей части мозга .

Шизофрения имеет тенденцию развиваться в подростковом возрасте, когда на передний мозг наконец образуется миелиновая оболочка. Некоторые ученые считают, что это может быть больше, чем совпадение.

Являются ли эти изменения причиной состояния или следствием ненормальной функции мозга, еще предстоит понять, но, вероятно, это переплетенный двусторонний путь. Доказательства этого были в статье, опубликованной в 2007 году доктором Габриэлем Корфасом . Он показал, что нарушение генетического контроля олигодендроцитов может вызвать поразительные поведенческие изменения, подобные тем, которые наблюдаются при шизофрении.

Просмотр белого вещества

White matter - Image credit - Thomas Schultz
Изображение DTI, показывающее участки белого вещества.Изображение предоставлено: Томас Шульц.

Одно исследование обнаружило взаимосвязь между структурой белого вещества и IQ, авторы  пришли к выводу, что «когнитивные функции коррелируют с большей организацией волокон». Точно так же другие ученые обнаружили связь между качеством белого вещества в мозгу взрослого человека и его способностью к чтению.

Исследователи также продемонстрировали, что использование нашего мозга определенным образом может изменить структуру белого вещества. Например, регулярное занятие музыкальным инструментом повышает уровень организации белого вещества в областях, важных для музыкального исполнения. Исследователи показали, что количество изменений пропорционально количеству часов, которые человек тренировал. Чем больше вы работаете, тем больше изменяется белое вещество.

Как миелинизация вписывается в историю

У животных, которые могут ходить и кормиться вскоре после рождения, таких как лошади и мыши, миелинизация почти полностью завершается с рождения. Однако, как уже упоминалось, миелинизация у людей продолжается и после 20-30 лет. Тот факт, что это занимает так много времени, является хорошим признаком того, что  выполняется больше, чем просто изолирующая роль.

Длительный период времени, который занимает миелинизация у людей, совпадает с тем же периодом времени, когда кора головного мозга человека подвергается огромной реструктуризации синаптических связей. Считается, что это ремоделирование изменяет мозг в соответствии с опытом. По этой причине некоторые исследователи полагают, что миелин, а следовательно, и белое вещество, играет роль в формировании мозга в процессе нашего развития.

Эта теория подтверждается рядом исследований на животных. Например, исследование луговых полевок с Аляски показало, что миелинизация мозга регулируется сезонными изменениями продолжительности дня. У животных, которые содержались в среде с постоянно длинными днями, было больше белого вещества.

У крыс стресс в течение последних 6 дней беременности вызывает усиление миелинизации у потомства в первые 2–3 недели жизни, при этом уровни нормализуются к 40 дню.

И наоборот, более приятный опыт также может изменить структуру белого вещества. Число олигодендроцитов увеличивается в зрительной коре головного мозга крыс, которые выросли в обогащенной среде, включая социальное взаимодействие и предметы, с которыми можно играть.

Некоторые исследования на людях также обнаружили взаимосвязь между ранним опытом и объемом белого вещества. В исследовании, опубликованном в журнале « Биологическая психиатрия», сравнивали мозг детей, которые подверглись жестокому обращению или ими пренебрегли, с мозгами детей, у которых этого не было.

Мозолистое тело, то есть самая большая структура белого вещества в головном мозге, которая соединяет левое и правое полушария головного мозга, оказалось на 17 процентов меньше у тех, кто подвергся насилию.

Почему это так важно ?

Короче говоря, у нас нет полного ответа на этот вопрос, но есть несколько интересных тем, на которые стоит остановиться.

Синхронизация серого вещества важна для нервного развития и обучения. Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе. Другими словами, нейроны, которые срабатывают синхронно, с большей вероятностью станут постоянно связанными; нервы, которые срабатывают вместе, считаются важными и будут укреплены и сохранены.

Myelinated axon. Image credit Roadnottaken
Поперечный разрез миелинизированного аксона с несколькими видимыми слоями миелина.Изображение предоставлено: Roadnottaken

Теперь, если два нерва, которые работают вместе, приходят с разных расстояний и идентичны, сигналы не будут приходить вместе; для координации возбуждения один из аксонов должен либо ускоряться, либо замедляться.

Миллисекундная точность жизненно важна.

Когда мы выполняем сложную задачу, например, играем на музыкальном инструменте, информация отправляется из ряда мозговых центров и перемещается туда и обратно. Синхронизация является обязательной, и простая передача сообщений с максимально возможной скоростью не является жизнеспособным решением.

По мере появление новых открытий представляется очевидным , что миелин играет ключевую роль в развитии синхронности, и он может изменить скорость проводимости путей белого вещества в ряде способов.

Например, миелин может физически изменять диаметр аксона (более широкие нервы быстрее передают сигналы). Кроме того, олигодендроциты могут изменять количество лежащих на них слоев миелина, которое может составлять до 150 листов на волокно, снова изменяя скорость проводимости. Кроме того, изменяя количество или расстояние между узлами Ранвье, можно настроить скорость, при этом большее количество узлов будет ближе друг к другу, замедляя импульсы.

Мы только начинаем разбираться с механизмами, лежащими в основе влияния белого вещества на когнитивные функции, но уже открываются потенциальные возможности.

Белое вещество так же неотъемлемо для функционирования мозга, как и его серый сосед; он динамичен, участвует в обучении и помогает нам накопить навыки и воспоминания. Несомненно, по мере того, как исследования продолжаются и картина становится все более четкой, важность миелина и белого вещества будет продолжать возрастать.

Белое вещество действительно имеет значение.