Издательство «Синдбад» представляет книгу «Мозговой трест. 39 ведущих нейробиологов — о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге» (под редакцией Дэвида Линдена, перевод Юрия Гольдберга).
Профессор Дэвид Линден собрал ответы тридцати девяти ведущих нейробиологов на вопрос «Что бы вы больше всего хотели рассказать людям о работе мозга?». Так родился этот сборник научно-популярных эссе, расширяющий представление о человеческом мозге и его возможностях. В нем специалисты по человеческому поведению, молекулярной генетике, эволюционной биологии и сравнительной анатомии освещают самые разные темы. Почему время в нашем восприятии то летит незаметно, то тянется бесконечно долго? Почему, управляя автомобилем, мы ощущаем его частью своего тела? Почему дети осваивают многие навыки быстрее взрослых? Что творится в голове у подростка? Какой механизм отвечает за нашу интуицию? Способны ли мы читать чужие мысли? Как биологические факторы влияют на сексуальную ориентацию? Как меняется мозг под воздействием наркотиков? Как помочь мозгу восстановиться после инсульта? Наконец, возможно ли когда-нибудь создать искусственный мозг, подобный человеческому? Авторы описывают самые удивительные особенности мозга, честно объясняя, что известно, а что пока неизвестно ученым о работе нервной системы.
Предлагаем прочитать главу, написанную Дэвидом Фостером из Калифорнийского университета в Беркли.
Электрические сигналы мозга доступны для понимания
Дэвид Фостер
Это история о том, как ученые использовали электроды для регистрации активности нейронов мозга, чтобы узнать, как они реагируют не только на визуальные образы, запахи и звуки, но и на память, эмоции, удовольствие и боль. Нейроны — особенные клетки: они связываются с десятками тысяч других нейронов и образуют разветвленные сети, отвечающие за сложные вычисления, которые лежат в основе всех наших действий. Эта история охватывает столетие удивительных открытий, череду периодов оптимизма и пессимизма, а также открывает новый поразительный факт: электрические сигналы, вырабатываемые нейронами, можно понять.
Самые ранние открытия показали, что каждый нейрон передает электрический импульс, или спайк, другим нейронам, с которыми он контактирует. Считается, что эта передача осуществляется по принципу «всё или ничего». Не бывает ни «громких», ни «тихих» спайков: спайк — это всегда просто спайк. Мозг использует эти импульсы для отправки своеобразного кода, в котором объекты и события внешнего мира представляются на удивление простым и понятным образом. Например, сила стимуляции периферийного нерва, реагирующего на прикосновение к пальцу, передается в виде некоторого числа спайков, поступающих от нерва за определенный период времени. В сетчатке глаза лягушки были найдены нейроны, которые возбуждаются только в том случае, когда в определенной части поля зрения появляется маленький черный диск; активация этих «детекторов жуков» вызывает хищническую поведенческую реакцию лягушки в направлении диска. В 1950-е и 1960-е годы, в золотой век записи сигналов отдельных нейронов, будущие лауреаты Нобелевской премии Дэвид Хьюбел и Торстен Визель обнаружили, что нейроны в зрительной коре головного мозга реагируют на такие элементы визуальной картины, как резкие границы. Дальнейшие исследования позволили выявить в более глубоких отделах мозга нейроны, настроенные на более сложные элементы. Кульминацией этих открытий стало обнаружение нейронов, избирательно реагирующих на руки и лица.
Триумфальную атмосферу той эпохи довольно точно передает статья физиолога Хораса Барлоу, который сформулировал однонейронную теорию восприятия. Барлоу утверждал, что восприятие — это активность одного нейрона и что всю психику человека можно объяснить с точки зрения такой активности. Однако нейронов, настроенных на какую-то конкретную зрительную составляющую, находили все меньше и меньше, что поставило под сомнение эту теорию. Дэвид Марр был блестящим ученым, который первым начал разрабатывать математические модели возможной работы нейронных сетей. (К сожалению, он умер от лейкемии в возрасте 35 лет.) Марр написал знаменитую книгу «Зрение», опубликованную в 1982 году, уже после его смерти. В вводной главе он поставил под сомнение существующие взгляды на связь нервной активности и психических процессов. Вот как он рассуждает о нейроне с избирательной активностью, который реагирует только на присутствие бабушки:
Допустим, например, что кому-то и правда удалось обнаружить мифическую «нервную клетку для бабушки». Даст ли нам такое открытие что-нибудь действительно важное? Мы будем знать, что такая клетка существует (гроссовские детекторы руки значат для нас практически именно это), но не будем знать, зачем или хотя бы каким образом подобный феномен может быть синтезирован из выходных сигналов уже известных нервных клеток… Если бы нам действительно стали известны ответы на эти вопросы, можно было бы, например, использовать их в программе вычислительной машины. Обнаружение детектора руки, однако, явно не дает возможности написать программу, реализующую такой детектор.
Отбросив чисто эмпирический подход, Марр предложил нечто совершенно новое: изучить, как должна быть устроена зрительная система с инженерной точки зрения. Для этого необходимо использовать знания из области искусственного интеллекта (ИИ). Эти знания позволят разработать эффективные компьютерные программы, и тогда — и только тогда — появится возможность интерпретировать особенности нейронных реакций.
Парадоксально, что Марр призывал использовать ИИ в нейробиологии как раз в тот момент, когда энтузиазм в отношении ИИ пошел на спад. Грандиозная задача разработать программы для распознавания речи и образов оказалась слишком трудной. Выяснилось, что эти действия, с которыми мы справляемся без труда, очень сложно описать в виде последовательных шагов программы. Марр хотел, чтобы нейробиология остановилась и подождала, пока ИИ не предложит решение, но в развитии ИИ произошел неожиданный поворот. Был разработан новый тип вычислений на основе сетей искусственных нейронов, которые не программировались на решение тех или иных задач, а постепенно учились на примерах. Эта сфера также пережила волны оптимизма и пессимизма, но к настоящему времени глубокое обучение позволило ИИ почти догнать человека в решении задач, которые раньше казались невыполнимыми: распознавание лиц и управление автомобилем.
Тем временем нейрофизиологи продолжали делать важные открытия, связанные с реакцией нейронов, особенно в тех областях мозга, которые не ассоциировались с первичной обработкой сенсорной информации. Выяснилось, что нейроны в глубине медиальной височной доли и в гиппокампе участвуют в формировании памяти, получая информацию об окружающем мире, предварительно обработанную другими отделами мозга, куда она поступает от глаз и других органов чувств; аналогичным образом исходящие сигналы гиппокампа проходят через разные области, прежде чем вызвать какие-либо действия. Гиппокамп по-прежнему представлял собой загадочную область мозга, и мало кто ожидал, что наблюдения выявят значимую и интуитивно понятную корреляцию в поведении этих нейронов. Однако сочетание новых экспериментальных методов и философского подхода позволило Джону О’Кифу и его коллегам в начале 1970-х найти эту корреляцию. Позволив крысам свободно исследовать окружающую среду, О’Киф обнаружил, что нейроны их гиппокампа генерируют импульсы только в определенных областях пространства, разных для каждого нейрона. Основываясь на идее Канта об априорном знании, О’Киф и психолог Линн Нейдел предположили, что эти нейроны предоставляют остальному мозгу когнитивную карту пространства, и эта идея вдохновила целое поколение исследователей (как сторонников, так и противников гипотезы).
Внутри узкого круга нейрофизиологов, изучавших гиппокамп, разгорелись споры о том, в какой степени реакция нейронов места в гиппокампе отображает окружающее пространство. Эта реакция не выглядела достаточно регулярной, чтобы доказывать геометрическое отображение, которое хотели бы приписать им некоторые исследователи. В итоге в нескольких областях, связанных с гиппокампом, были найдены нейроны, обладающие именно такими «геометрическими» свойствами. Сначала были обнаружены нейроны, которые действовали как внутренний компас и реагировали на направление, в котором поворачивалось животное. Затем в 2005 году Эдвард и Мэй-Бритт Мозер с коллегами сообщили, что нейроны энторинальной коры, в которую поступают исходящие сигналы гиппокампа, реагируют на шестиугольную сетку в пространстве — то есть на определенный узор, для которого характерна периодичность в двух измерениях. Удивительно, но эти нейроны решетки не связаны с поведенческими траекториями животных; скорее, они отражают внутреннюю структуру, которая соответствует окружающему пространству, нечто вроде схемы на бумаге. В 2014 году О’Киф и супруги Мозер за свои открытия были удостоены Нобелевской премии. С тех пор в тех же отделах мозга, а также в других, связанных с ними, были найдены другие нейроны, реагирующие на положение в пространстве.
Несмотря на успехи нейрофизиологии в изучении того, как отдельные клетки отображают внешний мир, многие вопросы по-прежнему оставались без ответов. Неужели наши мысли и чувства — всего лишь реакция на стимулы, как и реакции отдельных нейронов? Одно из критических замечаний Марра, которое сохраняет актуальность и по сей день, заключается в том, что знать отображение, осуществляемое одним нейроном, — не значит понимать процесс. Например, мы знаем функцию нейронов места в гиппокампе: они хранят карту окружающего мира; но как именно эта карта используется? Читая карту, вы направляете взгляд назад и вперед, чтобы понять, откуда вы пришли и куда направляетесь. Одно лишь знание о нейронах места ничего не говорит нам о подобных процессах. Как ни странно, ответ могли дать технические достижения в нейрофизиологии. В конце концов, теория одного нейрона, предложенная Барлоу, потребовала сосредоточиться на изучении активности отдельных нейронов, поскольку из-за ограниченных возможностей экспериментальных методов это были единственные доступные данные. Примерно с начала 1990-х стала возможна одновременная регистрация активности большого количества нейронов. Но вот о чем, вероятно, не упоминалось раньше: воображение ученых уводило их совсем не в том направлении, на которое в итоге указали данные.
Многие ученые ожидали, что полученные методами параллельной записи данные о реакции популяций нейронов на стимулы будут информативнее данных от одиночных нейронов. Например, предполагалось, что зрительные нейроны, соответствующие границам объекта, будут возбуждаться синхронно, что позволит отличить их от нейронов, соответствующих границам другого объекта. Еще одно предположение заключалось в том, что популяция нейронов может отображать распределение некоторого числа оценок, а не единичную оценку. А вот что оказалось неожиданным: координируя свою активность, нейроны могут действовать независимо от стимула. Эта особенность впервые была замечена у нейронов места в гиппокампе: те из них, которые возбуждались одновременно при том или ином поведении, поскольку отвечали за те же поля места, продолжали одновременно возбуждаться и позже, во сне. Но это еще не всё. Одновременно записав сигналы от достаточно большого числа клеток, ученые обнаружили, что последовательность активации нейронов места в гиппокампе соответствовала перемещению в окружающей среде — то есть во сне животное как бы повторяло пройденный маршрут, но в ускоренном режиме. Эти последовательности наблюдались не только во сне, но и, что очень важно, когда при решении пространственных задач животные ненадолго останавливались. Создавалось впечатление, что внезапно включалась хранящаяся в гиппокампе карта: луч фонаря (мысленный, без каких бы то ни было движений) сканировал окружающее пространство в поисках возможных поведенческих траекторий — так же, как наши глаза сканируют карту. Теперь мы знаем, что эти последовательности отражают приобретенную в результате обучения информацию о структуре окружающего пространства.
Удивительный факт: в этих последовательностях могут соединяться фрагменты действий, которые никогда не наблюдались вместе, создавая нечто вроде мысленных «коротких путей». Теперь нам также известно, что последовательности возникают не случайно, а направляются текущим местоположением цели в каждый момент, когда животное намеревается выполнить движение, словно отражая активный процесс выбора пути. Даже классическая активность, записанная во время движения, организована в короткие «упреждающие» последовательности, и этот процесс становится понятным при одновременном исследовании большого числа нейронов места. По сути, большинство спайков, вырабатываемых нейронами гиппокампа, представляют собой части той или иной последовательности. Последовательная организация может иметь базовый характер и присутствовать не только в гиппокампе, но и во всем мозге.
Окончательного вывода из этой истории нет. Мы вступили во второй золотой век нейрофизиологии. Технические достижения, позволяющие наблюдать за большим количеством клеток одновременно и выявлять новые типы клеток, которые раньше были неотличимы друг от друга, произвели революцию в этой области исследований. История не закончена, и то, что сегодня кажется непостижимым, завтра отступит перед результатами экспериментов. Мозг устроен таким образом, чтобы рисовать последовательности, разворачивающиеся во времени, фантазировать и обдумывать альтернативные планы действий; он ждет, готовясь рассказать о себе историю, которая будет и необычной, и понятной.
Источник:
