Мозг. Такой ли он особенный?

По счастью, литература пришла на помощь: некоторые ученые, занимавшиеся совершенно иными проблемами, могли поместить бодрствующих животных шести видов приматов и грызунов в камеру позитронно-эмиссионного томографа (ПЭТ) для того, чтобы посмотреть, с какой скоростью их мозг потребляет глюкозу и кислород. Более того, полученные данные были упорядочены польским физиком Яном Карбовским, который исследовал вопрос о том, как метаболизм головного мозга изменяется в зависимости от его массы (но не от количества нейронов). Карбовский[197] подтвердил, что удельный метаболизм головного мозга (потребление глюкозы на 1 г мозговой ткани в минуту) снижается по мере увеличения массы головного мозга у млекопитающих. Это снижение описывается степенной функцией с экспонентой –0,15. При такой зависимости мозг с массой, в десять раз большей, характеризуется удельным метаболизмом, который составляет лишь 70 % от удельного метаболизма мозга, который в десять раз меньше, что можно было объяснить либо меньшим числом крупных нейронов в ткани, либо, как считал сам Карбовский, уменьшением средней частоты разрядов в более крупном мозге. Такой мозг будет обходиться организму тем не менее дороже, чем мозг меньшей массы; при десятикратной разнице в массе более тяжелый мозг будет потреблять в семь раз больше энергии: произведение десятикратно большей массы на 70 % удельной энергии дает именно такой результат. Таким образом, Карбовский обнаружил, что больший мозг потребляет больше энергии пропорционально массе мозга, возведенной в степень +0,85, у всех исследованных видов. Это означает, что метаболическая стоимость мозга возрастает быстрее, чем метаболическая стоимость организма в целом по мере увеличения его массы. Макс Клейбер показал, что экспонента зависимости равна в последнем случае +0,75. Представляется, что выращивание большого мозга обходится дороже, чем выращивание большого тела, что позволяет объяснить, почему масса мозга растет у млекопитающих медленнее, чем масса тела, как мы уже видели в главе 8.

Единственная проблема заключалась в том, что данные Карбовского расходились с тем, что нам только что удалось узнать: Карбовский объединил в одну группу приматов и грызунов, как если бы они подчинялись одним и тем же правилам нейронного шкалирования, то есть у них было одинаковое соотношение между числом нейронов, размером мозга и плотностью упаковки нейронов, что, как показали мы, не соответствует действительности. Более того, теперь мы знали, сколько нейронов содержится в каждом мозге, для которого, благодаря работе Карбовского, мы знали данные о потреблении глюкозы и кислорода, а также нам были известны значения нейронной плотности в различных мозговых структурах, откуда мы могли вывести средний размер нейрона. Я была в положении человека, первым получившего возможность узнать, как средняя метаболическая стоимость нейрона изменяется в зависимости от его размера: действительно ли она растет, как предсказывали Хокинс и Ольшевский?

Я использовала данные Карбовского по средней энергетической стоимости бодрствующего мозга трех видов грызунов (мыши, крысы и белки) и трех видов приматов (макака, бабуина и человека). К 2010 году, зная число нейронов, содержащихся в мозге каждого из этих видов, я могла, применив простейшие расчеты, определить среднюю метаболическую стоимость одного нейрона у каждого из шести видов, как для мозговой коры и мозжечка по отдельности, так и для всего мозга в целом.

То, что я обнаружила, было поистине удивительно: среднее потребление глюкозы и кислорода на один нейрон оказалось постоянным и одинаковым во всех мозговых структурах у всех шести видов. Несмотря на то что межвидовая разница в числе нейронов достигала 1200 раз, а сами клетки в размерах варьировали в три раза, потребление глюкозы на один нейрон отличались между видами с разницей всего в 1,4 раза, от 4,93 × 10^–9 микромоль глюкозы на 1 нейрон в минуту у макака до 7,05 × 10^–9 микромоль у белки[198]. Средняя метаболическая стоимость человеческого мозга оказалась точно посередине, с показателем 5,44 × 10^–9 микромоль глюкозы на 1 нейрон в 1 минуту. Это означает, что в одну минуту один человеческий нейрон потребляет 3,3 миллиарда молекул глюкозы[199], что кажется очень большой величиной. Но на самом деле это не так уж много. При скорости потребления глюкозы, равной 3,3 миллиарда в минуту на 1 нейрон, 1 г глюкозы, четверть чайной ложки, содержит достаточно молекул глюкозы для того, чтобы кормить все 86 миллиардов нейронов головного мозга в течение 12 минут, а 5 г (1,25 чайной ложки) хватит на то, чтобы кормить мозг в течение целого часа!