Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

С мозгом похожая история. Пока вы плавали в материнской утробе, примерно одно и то же число нейронов умерло и уцелело. Не расточительство ли это – создавать так много нейронов, а потом уничтожать их? Но если гипотеза «выживания наиболее приспособленных» подходит для рассуждений о синапсах, может быть, она применима и к нейронам. Вероятно, нервная система в ходе своего развития совершенствует себя, оставляя в живых те нейроны, которые вступают в «правильные» связи, параллельно уничтожая те нейроны, которые этого не делают. Эту дарвинистскую интерпретацию предлагают не только для объяснения развития организма в детстве, но и рассуждая о возникновении и отмирании нейронов во взрослые годы: такие процессы, проходящие в зрелом мозге, я буду называть регенерацией.

Если регенерация так благотворно влияет на нашу способность к обучению, почему она не происходит в неокортексе? Возможно, этой структуре необходимо быть стабильнее, чтобы сохранять в себе то, что выучивается, а значит, ей приходится быть менее пластичной. Однако сообщения Гулд о новых нейронах, возникающих в неокортексе в зрелые годы, находят подтверждения в научной литературе: в журналах время от времени появляются статьи об аналогичных исследованиях начиная с шестидесятых годов прошлого века. Может быть, в этих работах содержатся какие-то зерна истины, противоречащие убеждениям, принятым ныне среди большинства нейробиологов.

Это противоречие можно попытаться разрешить, предположив, что степень неокортикальной пластичности зависит от свойств среды, в которой обитает животное. Возможно, пластичность резко падает при содержании животного в неволе, поскольку в тесной клетке наверняка скучнее, чем на воле, и учиться в заточении особенно нечему. Мозг, вероятно, ответит на такое сужение горизонтов минимизацией количества создаваемых нейронов, а большинство из создаваемых будут вскоре уничтожены. В этом сценарии новые нейроны все-таки появляются, но в небольших и непостоянных количествах, которые трудно выявить: вероятно, именно поэтому ученые разделились на два лагеря в этом вопросе. Вполне вероятно, что более естественные условия жизни будут способствовать росту обучаемости и пластичности, и новые нейроны тогда будут многочисленнее.

Может быть, вас не убедило такое рассуждение, однако оно иллюстрирует собой главный вывод из истории о Ракиче и Гулд: следует быть осторожными, с порога отметая возможность регенерации, переподключения нейронов или других разновидностей коннектомных изменений. А если уж вы всерьез задумали отрицать такие вещи, не забудьте сформулировать условия, при которых эти явления точно не происходят. Ведь при других условиях они вполне вероятны.

По мере того как нейробиологи всё больше и больше узнав али о регенерации, дедовские методы простого подсчета нейронов казались всё более грубыми и примитивными. Нам хотелось бы знать, почему одни нейроны выживают, а другие отмирают. Согласно дарвинистской теории, о которой мы говорили ранее, выживают те новые нейроны, которым удается интегрироваться в сеть уже существующих, создав правильные связи. Но мы плохо представляем себе, что такое «правильные связи», и вряд ли нам удастся это выяснить – до тех пор, пока мы эти связи не увидим. Вот почему коннектомика должна сыграть важную роль в объяснении того, насколько регенерация помогает процессу обучения – и помогает ли вообще.

* * *

Я говорил о четырех типах изменения коннектома – ИСВ, рекомбинации связей, переподключении и регенерации. Эти четыре процесса играют важную роль в совершенствовании нормального мозга и в исцелении поврежденного или больного. Вероятно, главная цель нейронауки как раз и состоит в том, чтобы полностью выявить потенциал четырех процессов. Отрицание одного или нескольких из них в былые времена становилось основой для тех или иных гипотез коннектомного детерминизма. Теперь мы знаем, что такие гипотезы – чересчур упрощенные, они не отражают истинное положение вещей. Необходимо указывать условия, при которых эти гипотезы работают.

Более того, потенциал четырех процессов не является чем-то фиксированным и незыблемым. Я уже отмечал, что мозг после травмы способен усилить рост аксонов. Более того, известно, что повреждение неокортекса «привлекает» новорожденные нейроны, мигрирующие в зону повреждения, тем самым становясь еще одним исключением из заповеди «никаких новых нейронов в зрелом мозгу». Эти эффекты, рождающиеся при повреждениях, возникают про посредничестве молекул, которые сейчас пристально изучают специалисты. Теоретически говоря, мы могли бы способствовать проявлению четырех процессов искусственным путем, манипулируя такими молекулами. Именно так гены влияют на коннектомы, и лекарства будущего станут делать то же самое. Однако на четыре процесса влияет и приобретаемый человеком опыт, так что более тонкую настройку можно будет производить, сочетая вмешательство на молекулярном уровне с подбором режимов обучения и подготовки.

Эта нейробиологическая повестка дня звучит многообещающе, но действительно ли она выведет нас на путь истинный? Ведь она опирается на некоторые важные допущения, которые довольно убедительны, однако по большей части не подтверждены. А главное – верно ли, что изменение ума и сознания в конечном счете сводится к изменению коннектома? Таково очевидное следствие из теорий, которые низводят восприятие, мышление и другие проявления умственно-психической деятельности к рисунку нервных импульсов, порождаемых рисунком нейронных связей. Проверка этих теорий покажет нам, действительно ли правы коннекционисты. В мозгу действительно идут четыре процесса коннектомных изменений, но пока мы можем лишь умозрительно рассуждать о том, как они вовлечены в процессы обучения. Согласно дарвинистской точке зрения, синапсы, нейроны и отростки нейронов создаются для того, чтобы улучшить обучаемость мозга, увеличивая его потенциал – в частности, путем хеббовского усиления, позволяющего выживать определенным синапсам, нейронам и нейронным отросткам. Остальные отмирают, если возможности, которые они предоставляют, оказываются невостребованными. Без тщательного изучения этих теорий мы вряд ли сумеем по-настоящему поставить себе на службу мощь четырех процессов.

Для придирчивой и вдумчивой проверки положений коннекционизма мы должны подвергнуть их эмпирическому исследованию. Нейробиологи уже больше столетия пытаются как-то подступиться к этой задаче, но пока, в сущ ности, даже не начали ее решать. Проблема в том, что главный объект этой доктрины – собственно коннектом – пока остается ненаблюдаемым. Сейчас еще трудно или даже порой невозможно изучать связи между нейронами. До сего времени методы нейроанатомии применялись для решения более примитивной задачи – построения карты связей между различными участками мозга.

Да, мы постепенно приближаемся к цели, но скорость этого движения нужно резко увеличить. Потребовался десяток лет, чтобы найти коннектом червя C. elegans, а отыскать коннектомы в мозгу, больше похожем на наш с вами, конечно же, куда труднее. В следующей части книги я расскажу о передовых технологиях, которые разрабатываются для поиска коннектомов, и о том, как они будут применяться в новой науке – коннектомике.

Обоняние дразнит аппетит, слух помогает спасти отношения с партнером, а зрение – это вера. Органы чувств говорят нам, что реально, а что нет, и в этом мы больше всего полагаемся именно на глаза. Что это – биологическая случайность, просто попутный результат эволюции наших органов чувств и мозга? Если бы собака могла делиться с нами своими мыслями не только лая или помахивая хвостом, она бы, возможно, заявила: «Нюхать – значит верить». А когда летучая мышь завтракает насекомым, поймав его во мраке благодаря эху его ультразвуковых поскрипываний, она наверняка думает: «Слышать – значит верить». Так или нет?