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

Разумеется, всегда есть вероятность, что нам не удастся распутать HVC-коннектом. Может статься, мы не сумеем расположить нейроны в таком порядке, чтобы синапсы подчинялись последовательному правилу связей. Иными словами, в таком случае вне зависимости от того, как мы располагаем нейроны в цепочке, всегда найдется множество связей, которые будут чересчур высовываться назад или вперед. А значит, тогда можно будет сделать вывод, что HVC-коннектом, скорее всего, устроен не по принципу синаптической цепочки. Но такая неудача тоже станет важным шагом вперед. Чтобы наука развивалась, полезно не только подтверждать предлагаемые модели, но и отвергать какие-то из них.

* * *

Если же окажется, что коннектом HVC все-таки устроен по принципу синаптической цепочки, это будет свидетельством того, что данный коннектом помогает птичке помнить свою песенку. Но как такие воспоминания вообще сохраняются? Некоторые нейробиологи-теоретики предположили, что HVC-нейроны молодых самцов первоначально активируются случайными сигналами из какого-то другого источника. Некоторые из возникших цепочек случайных связей укрепляются по хеббовскому принципу. Такие «избранные» цепочки начинают возникать чаще, тем самым усиливаясь всё больше. И наконец, одна-единственная цепочка становится настолько сильной, что начинает доминировать над всеми остальными. Эта цепочка связей соответствует той «окончательной» синаптической цепи, которую мы ожидаем найти у взрослых самцов.

Из этого предположения следует, что память о песенке сохраняется благодаря изменению синаптического веса. Сила синапсов меняется, однако новые синапсы не возникают, а старые – не уничтожаются. «Невзвешенный» коннектом, не учитывающий информацию о силе синапсов, вообще не будет содержать никаких сведений об информации, находящейся в памяти. По нему невозможно будет вычислить хронометраж нейронных пиков. Доступен прочтению лишь взвешенный коннектом, поскольку лишь сильные синапсы организованы в цепочку. Иными словами, коннектом должен включать в себя силу синапсов, если мы хотим этот коннектом расшифровать. Скорее всего, окажется возможным оценить силу синапсов по их облику под электронным микроскопом. Как я уже отмечал, ученые полагают, что синапсы делаются более крупными, когда они становятся сильнее, так что в данном случае размер коррелирует с силой. Грядущие исследования должны показать нам, насколько точен подобный метод оценки синаптической силы.

А возможно, в сохранении песни в памяти играет роль и рекомбинация связей. Может быть, синапсы, не участвующие в синаптической цепочке, слабеют по мере того, как птица учится петь, и в конечном счете отмирают. Если рекомбинация связей действительно имеет здесь значение, то нам, возможно, удастся прочесть даже невзвешенный коннектом. Пытаясь расшифровать и невзвешенный, и взвешенный HVC-коннектом, мы, может статься, сумеем провести различие между теорией памяти, основанной лишь на ИВС, и теорией, учитывающие и ИВС, и рекомбинацию связей.

Нейробиологи предполагают, что из четырех принципов коннектомных изменений в сохранении воспоминаний могут играть роль и остальные два – переподключение и регенерация. Однако для того и для другого пока получено слишком мало эмпирических доказательств. Фернандо Ноттебом и его сотрудники изучали регенерацию на примере мозга канареек и других певчих птиц. Ученые продемонстрировали, что в те месяцы года, когда канарейки не поют, их HVC «усыхает», поскольку нейроны в нем самоуничтожаются. Но когда сезон песен наступает снова, HVC увеличивается благодаря возникновению новых нейронов. Исследования регенерации нейронов, проведенные Ноттебомом, сыграли важную роль в истории науки, вновь возбудив интерес специалистов к данному предмету, однако реальные механизмы такой регенерации по-прежнему остаются неясными.

Этот вопрос можно исследовать различными интересными путями – если только верна модель HVC, основанная на синаптических цепочках. Продолжает ли спящая синаптическая цепочка хранить в памяти песенку, когда брачный сезон кончается? А когда в HVC появляются новые нейроны, они встраиваются в эту цепочку? И если да, то каким образом? Согласно теории нейронного дарвинизма, новосозданные нейроны будут связаны с собратьями случайным образом. Но это предсказание, вероятно, можно эмпирически проверить в рамках коннектомики, при помощи специального метода окрашивания, помечающего лишь новые нейроны.

Сходные вопросы можно задать и об уничтожении нейронов. Что заставляет нейрон совершить самоубийство? Провоцируется ли оно отмиранием синапсов и нейронных отростков, вызванным, в свою очередь, тем, что нейрону не удалось встроиться в цепочку? Эту гипотезу также можно проверить с использованием аппарата коннектомики – «моментальных снимков» нейронов в момент их гибели. Может быть, в процессе подготовки к мертвому сезону нейроны самоуничтожаются так, чтобы цепочка при этом не разрывалась?

Из-за технических ограничений нейробиологи пока вынуждены довольствоваться подсчетом увеличений и уменьшений количества нейронов. Такие исследования показывают, что регенерация играет в этом важную роль, однако они не позволяют выявить, какую именно роль она играет в процессах запоминания и припоминания. Для дальнейшего продвижения вперед необходимо узнать, каким образом новые нейроны включаются в уже существующую структуру и зависит ли процесс уничтожения нейронов от того, как они подключены друг к другу. И тут нам тоже, возможно, поспособствует коннектомика. На примере HVC, вероятно, удастся изучить и особенности процесса переподключения – исследуя, как рост и втягивание нейронных ветвей зависят от связей этих нейронов с другими.

* * *

Итак, я набросал план поиска синаптических цепочек в HVC-коннектоме и в клеточных ансамблях коннектома CA-3. Я назвал это считыванием воспоминаний по коннектому. Точнее говоря, я предложил способ анализа коннектомов, который позволил бы угадывать рисунки активности, воссоздаваемые при воспроизведении какой-то информации, хранящейся в памяти. Но следует подчеркнуть: это не означает, что мы поймем, как работает память. Анализируя коннектомы HVC или CА-3, мы не поймем, как звучит песенка данной птички или что показывали на видео в том эксперименте, о котором мы говорили выше. Иными словами, сейчас речь идет о чтении «отвлеченных» воспоминаний – таких, которые не имеют никакого отношения к общепринятому значению слова «память» в реальном мире.

Я уже предлагал способ привязки такой отвлеченной памяти к действительности. Давайте измерять HVC-активность, когда птица поет, или активность CA-3, когда участник эксперимента описывает то, что он вспоминает. Тогда каждый нейрон можно будет соотнести с определенным движением или образом. Подобный подход подразумевает измерение нервных импульсов в живом мозгу с целью осуществить привязку этих данных к воспоминаниям, которые будут считаны уже с мертвого мозга. На ближайшее будущее это единственный возможный подход, ибо пока мы можем находить лишь частичные коннектомы – по небольшим кусочкам мозга.

Однако, надеюсь, в долгосрочной перспективе мы сумеем отыскивать коннектомы всего мертвого мозга. Тогда, возможно, у нас получится привязка воспоминаний, не требующая измерения нервных импульсов живого мозга. Чтобы это сделать, мы должны понять, к примеру, избирательно ли нейрон CА-3 активируется образом Дженнифер Энистон или каким-нибудь другим стимулом. Удастся ли осуществить это путем анализа нервных путей, которые доставляют информацию от органов чувств к нейрону CА-3?