Введение

Пусть человек созерцает Природу… «Мысли», 72.

«вечное безмолвие…» «Мысли», 206.

…не сосредоточены в отдельном органе. Большинство нейронов и синапсов у этого червя расположены в так называемом нервном кольце. (Собственно, это утверждение верно лишь для червей-гермафродитов, так как нервное кольцо играет меньшую роль у куда более редких червей-самцов.) Нервное кольцо окружает «глотку» червя и является наиболее похожей на мозг структурой. Человеческий же головной мозг содержит подавляющее большинство нейронов нашей нервной системы. Прочие находятся в спинном мозге или рассеяны по другим частям тела.

Рис. 2. Изображение получено с помощью микроскопа методом дифференциального интерференционного контраста (ДИК). Оно представлено на Wormatlas.org, где собрана великолепная база данных об этом черве. Цена деления шкалы – 0,1 мм. Два эллипсоида – черви-эмбрионы.

Рис. 3. Первая карта всей нервной системы C. elegans опубликована Уайтом (White, 1986). Обычно ее считают исчерпывающей, однако она всё же неполна. В 2011 году ее дополнили (Varshney et al.) данными из других источников, однако, по оценкам ученых, около 10 % нервных связей червя всё же пока не картированы. Диаграмму с рис. 3, где отражен итог этой работы, также можно увидеть на Wormatlas.org.

Полный ее объем – миллион страниц. Чтобы бегло ознакомиться с человеческим геномом, можете отправиться на NCBI Map Viewer – , а затем перейти на страницу, где показаны все хромосомы нашего генома (ищите Homo sapiens, официальное название нашего с вами вида). Кликнув по любой из хромосом, вы увидите более подробную карту, где показано месторасположение отдельных генов. Дальнейшее кликанье покажет вам цепочки ДНК. На рис. 4 показано начало хромосомы 11. Чтобы отыскать ДНК-последовательности для отдельных генов, можно провести поиск по названиям белков, которые они кодируют.

Такого рода уникальностью черви не обладают… Коннектомы червей больше похожи друг на друга, нежели человеческие, однако всё же не идентичны. Эта тема подробнее рассматривается в главе 12.

…«зафиксирован» начиная с момента зачатия… Если мы будем говорить, что наш геном «зафиксирован», то неизбежно допустим некоторое упрощение. Каждая из наших клеток содержит копию нашего генома. (Имеются исключения – к примеру, красные кровяные тельца, они теряют ДНК по мере своего развития.) Эти копии почти идентичны, однако небольшие различия всё же есть. Некоторые из них вызваны ошибками при копировании в процессе деления клеток и могут приводить к возникновению онкологических заболеваний. Другие важны для функционирования организма – например, различия между определенными клетками иммунной системы. Кроме того, ДНК может модифицироваться без изменения своей цепочки. Эти явления относятся к более широкой группе – эпигенетике.

…в миллион раз больше связей, чем букв в вашем геноме. В основе этого сравнения – один квадриллион (1015) синапсов, результат умножения ста миллиардов нейронов мозга на примерно 10 тысяч синапсов, приходящихся на каждый нейрон. Возможно, это слишком смелая прикидка, не следует принимать ее чересчур всерьез: точного значения она, конечно, не дает. Более надежную числовую оценку дал анализ неокортекса (основной части коры больших полушарий головного мозга): как выяснилось, в нем содержится примерно 0,16 квадриллиона синапсов (Tang et al., 2001).

…и повсюду – фаллические граффити. Beard, 2008.

В мозгу 100 миллиардов нейронов… Одно из недавних исследований дает среднюю величину в 86 миллиардов (Azevedo et al., 2009).

 

Глава 1. Гениальность и безумие

Артур Кит… Keith, 1927. К несчастью для Кита и его репутации, помнят его не по научным открытиям, а по его вере в пилтдаунского человека. Эти останки черепа, якобы принадлежавшего существу, которое являлось недостающим звеном в нашей эволюции, в конце концов были признаны фальшивкой. Пилтдаунский человек стал одной из самых знаменитых мистификаций в истории науки.

…французский физик-теоретик… Кит разрешил это противоречие таким же образом – написав, что «детальное исследование известных нам подробностей жизни Анатоля Франса показывает, что он был во многих отношениях примитивным человеком». Он завершает статью, вновь высказывая свою идею о том, что размеры мозга и степень интеллектуального развития связаны: «Полагаю, в дальнейшем выяснится, что существует тесная взаимозависимость между массой мозга и успешностью его функционирования».

… у людей с более крупным мозгом IQ выше. McDaniel, 2005.

…с высокой точностью можете предсказать… Пусть r – коэффициент корреляции между двумя переменными. Тогда знание одной переменной снижает типичную погрешность предсказания другой на √(1-r²).

…для корреляции между IQ и объемом мозга… McDaniel, 2005.

«Карта красоты». Гальтон вспоминает об этой истории в последней главе своих мемуаров, озаглавленной «Усовершенствование человеческой породы, или Евгеника» (Galton, 1908). В трехтомном жизнеописании своего учителя Карл Пирсон замечает: «Гальтон, следуя своему же девизу… редко отправлялся на прогулку, собрание или лекцию, ничего при этом не подсчитывая. Он считал зевки и нервные движения рук, он считал, сколько он встретил людей с определенным цветом волос, глаз или кожи» (Pearson, 1924, с. 340). Существует отдельный сайт, посвященный Гальтону и воздающий ему хвалу: Galton.org.

…весьма глупые, чрезвычайно глупые, дебилы. Pearson, 1906. Пирсон подтверждал открытие Гальтона, согласно которому размеры головы и успехи в учебе статистически связаны. При этом он отмечал, что размеры головы не очень-то хорошо позволяют предсказывать отметки конкретного студента. В этом смысле даже почерк дает более надежные предсказания, чем величина головы.

Конечный мозг, мозжечок и ствол мозга… Свансон (Swanson, 2000) делит мозг более детально – на кору головного мозга, базальные ядра, таламус (зрительный бугор), гипоталамус, крышу среднего мозга (тектум), покрышку моста головного мозга (тегментум), мозжечок, варолиев мост и продолговатый мозг. Свансон утверждает, что все многочисленные схемы грубого разделения мозга на участки можно свести просто к различной группировке названных девяти основных частей. Так, трехчастная схема на рис. 7 представляет конечный мозг как кору плюс базальные ядра, а ствол мозга – как всё остальное, за исключением мозжечка. Свансон написал целую книгу, где изложил свои взгляды на этот предмет (Swanson, 2012). Заметим, что некоторые авторитетные специалисты исключают таламус и гипоталамус из состава ствола мозга, так что его определение неоднозначно.

…это самая крупная из трех частей… Конечный мозг крупнее других частей по объему, однако нейронов больше всего в мозжечке – по различным оценкам, около 70 миллиардов (Azevedo et al. 2009) или даже 100 миллиардов (Andersen, Korbo, Pakkenberg, 1992). Почти все эти нейроны – так называемые гранулярные клетки. Поскольку они очень малы, мозжечок занимает лишь 10 % общего объема мозга (Rilling, Insel, 1998). Неокортекс, основная часть конечного мозга, содержит, как полагают, около 20 миллиардов нейронов (Pakkenberg, Gundersen, 1997).

…делят каждое полушарие на четыре доли… Границы затылочной доли определяются и другими «ориентирами», однако проведены всё же в известной степени произвольно. Четыре доли названы по четырем костям черепа, которые их окружают. Некоторые ученые выделяют и пятую долю – лимбическую. Она становится видна в передней части полушарий, если разрезать конечный мозг пополам по продольной щели. Внутри сильвиевой щели таится часть коры, именуемая инсулой (островком), она достаточно велика, чтобы отдельные специалисты считали ее отдельной долей – островковой.

…функции тюрьмы и лечебницы для душевнобольных. Micale, 1985.

…их перестали заковывать в цепи… Harris, 2003.

Рис. 10. Повреждение расположено в нижней лобной извили не (складке) левого полушария. История пациента Леборна по кличке Тан изложена в: Finger, 2005; Schiller, 1963, 1992.

Два полушария мозга выглядят очень похожими друг на друга… Исследователи обнаружили небольшую структурную асимметрию между правым и левым полушариями, но пока трудно сказать, имеет ли это отношение к функциональной латерализации (Keller et al., 2009).

…левое полушарие в значительной мере специализируется на речевых способностях и навыках. Rasmussen, Milner, 1977. У меньшинства – левшей и амбидекстров (людей, одинаково хорошо владеющих левой и правой рукой) – за языковые способности отвечает правое полушарие или же оба.

…при этом щадя дар речи. В учебниках для начинающих обычно не упоминается тот факт, что повреждение мозжечка все-таки оказывает воздействие на эмоциональную сферу и познавательную способность (см. об этом: Strick, Dum и Fiez, 2009; Schmahmann, 2010).

…Харви рассылал образцы… Abraham, 2002; Paterniti, 2000.

Сандра Вителсон… Witelson, Kigar и Harvey, 1999.

…сохранили для вечности мозг таких знаменитостей… Burrell, 2004.

…трактат 1819 года… Gall, 1835.

…корреляция между IQ и общим размером мозга… Jung и Haier, 2007.

…у лондонских таксистов… Maguire и др., 2000.

У музыкантов… Hutchinson et al., 2003; Gaser, Schlaug, 2003. Мое утверждение о «более толстых участках коры» чересчур поверхностно: измерения осуществлялись методом объемной морфометрии, которая не в состоянии отличить утолщение от других структурных изменений. Утолщение – лишь одна из возможных версий. У двуязычных людей… Mechelli и др., 2004.

…в среднем шесть человек из каждых ста имеют острое психическое расстройство… Kessler et al., 2005.

Симптомы аутизма… Frith, 2008.

…большинство взрослых аутистов неспособно нормально функционировать без какого-то внешнего надзора… Существуют и менее выраженные формы аутизма, при которых проявляются не все симптомы. В частности, при синдроме Аспергера наблюдается социальная неполноценность и ритуализованное поведение, но речь пациента не затруднена. Чтобы охватить все типы этого расстройства, от слабых до острых его форм, был введен термин «аутический спектр». Фомбон (Fombonne, 2009) оценивает распространенность «полномасштабного» аутизма как два случая на каждую тысячу человек, полагая, что распространенность состояний аутического спектра – в несколько раз выше.

…о «прекрасном ребенке, заключенном в стеклянную скорлупу». Frith, 1993.

…Лео Каннер одним из первых дал определение этого синдрома… Венский педиатр Ганс Аспергер несколькими годами раньше также дал определение аутизма.

…у пятерых была крупная голова. Kanner, 1943.

…их голова и мозг действительно крупнее среднего… Redhay, Courchesne, 2005. Любопытно: аутизм дает свидетельства, противоречащие известной максиме «Чем больше, тем лучше». Френологи в ответ могли бы указать на аутистов-«мудрецов» с феноменальной памятью, талантами в области устного счета или иными выдающимися умственными способностями – как у вымышленного персонажа фильма «Человек дождя» (2009). Возможно, эти выдающиеся умственные способности и можно объяснить увеличенным мозгом аутиста. Однако большинство детей-аутистов – никакие не мудрецы. И даже у аутистов-мудрецов тоже есть свои дефекты. Честнее было бы сделать вывод, что френологический подход к изучению размеров мозга грешит упрощенчеством.

…особенно лобные доли… Carper et al., 2002. с. 44

…из первых рук… BGW, 2002.

…однако эти лекарства не дают полного исцеления. Широко рекламировались «атипичные» антипсихотические препараты «второго поколения», но сейчас их эффективность подвергается сомнению. Об этом противоречивом вопросе см.: Murphy et al., 2006 и Leucht et al., 2009. Эти атипичные средства менее склонны давать расстройства двигательного аппарата в качестве побочных эффектов, чем «типичные» антипсихотики первого поколения.

…у таких больных общий объем мозга уменьшен в среднем всего на несколько процентов. Steen et al., 2006; Vita et al., 2006. Отличие существует даже у пациентов, проходящих свой первый курс психотерапии, так что это вряд ли следствие длительного приема антипсихотических медикаментов.

Боковой и третий желудочек… Steen et al., 2006.

«Шизофрения – кладбище невропатологов». Plum, 1972.

 

Глава 2. Пограничные конфликты

Мозг маленького ребенка растет весьма стремительно… Voigt, Pakkenberg, 1983.

…целую философию образования… Пожалуй, взгляды Спурцхайма оказались чересчур сложными для его времени. Так, он признавал, что в мозгу могут происходить и другие изменения, не только его рост: «Рост органов [участков мозга] – не единственное и даже не самое важное преимущество, какое можно извлечь из правильных упражнений… Размеры органа… не пропорциональны тому, много ли его упражняют, однако его волокна будут при этом работать с большей легкостью» (Spurzheim, 1833, с. 131–132).

Гоняя крыс по несложным лабиринтам… Тест Хебба– Уильямса, посвященный выявлению уровня разумности животных, представлял собой набор из двадцати четырех задач, каждая из которых включала нахождение пищи в простеньком лабиринте. Дональд Хебб первым применил такой подход для исследования воздействия обогащенной среды. Ученый мимоходом упоминает о нем в одной из своих работ (Hebb, 1949), больше известной по представленным в ней теориям Хебба о клеточной сборке и синаптической пластичности (см. далее – главы 4 и 5).

…Марк Розенцвейг с коллегами… Rozenzweig, 1995. Проверка статистической значимости проводилась на основе сравнения особей из одного помета. Выяснилось, что изменения в размерах участков коры происходят не из-за изменений общего размера мозга. Более того, остальные – некортикальные – части мозга оказались даже чуть меньше. Перемена была вызвана и не ростом размеров тела. Крысы из обогащенной среды весили даже меньше, поскольку больше двигались.

…при обучении жонглированию… Draganski et al., 2004; Boyke et al., 2008.

…усиленная подготовка к экзаменам… Draganski et al., 2006.

…немецким нейроанатомом Корбинианом Бродманом… Его карта распространялась на неокортекс – основную часть коры головного мозга. Термин «кортекс» (кора) часто используется как сокращенный вариант термина «неокортекс», что может приводить к известной путанице. Бродман разделил кору на сорок три поля (Brodmann, 1909), однако не все они видны на рис. 13, который дает лишь вид конечного мозга. Если приглядеться, можно заметить, что самое большое число на карте – 52, а не 43. Дело в том, что Бродман пропустил числа с 12 по 16 и с 48 по 51 включительно. Эти числа он зарезервировал для кортикальных областей животных, поскольку ему казалось, что у этих областей нет аналогов в коре человека. При проведении границ этих полей Бродман использовал микроскоп (я опишу это в главе 10). Впрочем, эти границы проходят, грубо говоря, по складкам и извилинам коры, так что их можно увидеть даже без микроскопа.

…после трех месяцев это улучшение практически прекращается. Cramer, 2008.

…такое возможно после инсульта. Cramer, 2008.

…целиком удаляя одно полушарие… Mathern, 2000. Операция считается оправданной, к примеру, когда МРТ ясно показывает, что причина припадков – односторонняя аномалия мозга.

…ходят и даже бегают… Vining et al., 1997. Удивительные свидетельства пациентов см. на Hemifoundation.Intuitwebsites.com.

…переместятся в правое полушарие… О раннем периоде детства см.: Basser, 1962. О более позднем см.: Boatman et al., 1999. Это явление обнаружил Брока еще в XIX веке.

…Мигель Николелис… Nicolelis, 2007.

…казались грубой мясницкой работой… Bagwell, 2005. В начале Средних веков Церковь присвоила себе контроль над медицинской практикой. Папский эдикт 1215 года запрещал духовенству заниматься хирургией, ибо соприкосновение с кровью или иными телесными жидкостями могло, как считалось, передавать заразу. Хирургия отошла к цирюльникам, которые в те времена, пожалуй, являлись более искусными целителями, чем врачи, окончившие университет.

…перехватывать крупные артерии… Finger, Hustwit, 2003.

Почему же этот феномен так долго не замечали? Историю концепции фантомных конечностей от Паре до Митчелла см. в: Finger и Hustwit, 2003.

…инвалид отлично понимает, что фантомное – это не реальное… Reilly, Sirigu, 2008.

…раздраженные нервные окончания… Это объяснение приписывается Декарту (Finger, Hustwit, 2003).

…но это не помогло. Ramachandran, Blakeslee, 1999.

Уайлдер Пенфилд при помощи электростимуляции… Penfield и Boldrey, 1937.

В. С. Рамачандран… Ramachandran, Stewart, RogersRamac handran, 1992. Забавное популярное изложение этих работ см. в: Ramachandran, Blakeslee, 1999. Наблюдения Рамачандрана касательно человеческого мозга вряд ли удивили Майка Мерцениха и других нейробиологов, уже обнаруживших сходные явления у животных. Обзор этих исследований см. в: Buonomano, Merzenich, 1998.

…чувствовать фантомную конечность. Это объяснение может показаться неполным: я говорю лишь о функциях, а не о поступающих импульсах и не о нервных связях (эти вопросы обсуждаются в дальнейших главах книги). Полезнее будет такое объяснение: ампутация лишает территорию, соответствующую нижней части руки, импульсов от сенсорных нервных путей. Перекройка карты коры замещает их сенсорными импульсами от лица и верхних частей рук.

…когда он касался лица пациента… Существует даже карта однозначных соответствий между областями лица и пальцами фантомной руки (щека соответствует большому пальцу, подбородок – мизинцу и т. п.).

…функциональная МРТ. Точнее, ФМРТ измеряет сигнал, пропорциональный уровню кислорода в крови (СПУКК). Эту величину ввел японский ученый Сейдзу Огава. Сигнал определяется как отношение содержаний богатой и бедной кислородом форм гемоглобина – кровяной молекулы, которая переносит кислород от легких ко всем другим частям тела. Активизация того или иного участка мозга действует на СПУКК двояко. Сначала участок мозга начинает потреблять больше энергии, и гемоглобин теряет кислород. Затем возрастает приток крови к данному участку мозга, и эта кровь приносит насыщенный кислородом гемоглобин. (Многие считают, что приток крови усиливается именно в ответ на активизацию этого участка мозга, поскольку мозг четко регулирует потоки крови, чтобы удовлетворять энергетические потребности каждого участка тела.) В конкретный момент времени может преобладать либо тот, либо другой эффект, так что задействование данного участка мозга будет либо усиливать, либо ослаблять сигнал, что мешает интерпретации данных ФМРТ. Сигнал отражает потребление энергии, и некоторые шутят, что использование ФМРТ для того, чтобы понять мозг, напоминает попытку разобраться в автомобильном двигателе, измеряя, в каких местах он нагревается сильнее всего.

…«пятна на мозге»… Эти изображения дают ложное представление, что при выполнении той или иной задачи человек задействует лишь определенную небольшую часть мозга. Однако каждая такая картинка получена путем наложения двух и описывает выполнение двух схожих умственных задач. «Подсвеченный» участок больше задействован в одном задании, нежели в другом. Не следует заключать, будто все прочие участки при этом бездельничают. Многие из них активны, просто уровень их активности при выполнении обеих задач неодинаков.

…такой сдвиг наблюдался лишь у пациентов, которые испытывали фантомные боли… Лотц и другие (Lotze et al. (2001) показали подобное же перестраивание карт для поля 4 у больных, подвергшихся ампутации, и измерили уровень активизации мозга, вызванной воображаемым движением фантомной кисти. Ученые также применяли ФМРТ для демонстрации перестраивания карт поля 4 у жертв инсульта. Зоны представления кисти смещались вверх или вниз по полю 4 – в зависимости от того, где располагался поврежденный участок мозга. Дальнейшие исследования выявили, что инсульт способен вызывать и более масштабную перекройку карты, затрагивая отдаленные области на одной и той же стороне мозга или на разных его сторонах (Cramer, 2008).

…увеличение зоны представления левой руки… Эльберт и др. (Elbert et al., 1995) использовали магнитоэнцефалографию, а не ФМРТ. Усредняя полученные данные, они обнаружили сдвиг в месторасположении зоны представления левой руки. Этот сдвиг они интерпретировали как изменения в соответствующей области мозга. Однако прямое измерение размера зоны представления не показало статистически значимых перемен. Исследователи не сумели доказать, что сдвиг вызван занятиями музыкой, ибо не исключено, что на результаты работ влияла погрешность отбора. Впрочем, величина сдвига коррелировала с тем возрастом, в котором испытуемый начал заниматься музыкой. Похожее исследование с применением МРТ см. в: Amunts et al., 1997.

…двигательных расстройств… Elbert, Rockstroh, 2004.

…фокальными дистониями… Известный пример – пианист Леон Флейшер, на тридцать пять лет утративший возможность пользоваться правой кистью, но недавно вернувшийся на сцену: инъекции ботокса в мышцы рук позволили ему снова начать пользоваться обеими конечностями.

…отличить скрипку от книги с брайлевским текстом… Стерр (Sterr) и др. (1998) не только продемонстрировали увеличение зоны представления кистей рук, но и заявили, что расположение участков представления пальцев у читателей брайлевского шрифта и скрипачей разное, что может позволить отличать эти процессы по анализу зон мозга.

…о пониженной активности лобных долей у шизофреников… Glahn et al., 2005.

…многое рассказать нам о мозговых недугах… См. две наиболее свежих работы об активности мозга при аутизме: Kaiser et al., 2010; Bosl et al., 2011.

…а мышечную силу – с помощью устройства… На самом-то деле ученые применяют метод изометрических измерений: сила определяется при жестко зафиксированном угле, под которым конечность согнута в суставе. Так удается лучше контролировать эксперимент, поскольку сила зависит от угла. Мышечную силу оценивают по области поперечного сечения, которая должна быть примерно пропорциональна количеству мышечных волокон, а значит – силе.

Специалисты установили, что коэффициенты корреляции… Вам может показаться, что отдельно изучать такую корреляцию глупо, ведь здравый смысл подсказывает, что она просто обязана быть сильной. Как ни удивительно, этот факт оказалось на так-то просто подтвердить эмпирическим путем. В 1983 году ученые (Maughan, Watson, Weir) сообщали о более низких коэффициентах корреляции и пришли к противоположному выводу – «сила не является полезным фактором при прогнозировании размеров мышечной области поперечного сечения». Более современные работы (напр., Bamman et al., 2000 или Fukunaga et al., 2001) все-таки подтверждают более высокие коэффициенты корреляции – возможно, благодаря усовершенствованию методов измерения. Однако на многие интересные вопросы ответ так и не получен. Скажем, одинакова ли связь между размером и силой у тяжелоатлетов и культуристов? а у знаменитых спортсменов и обычных людей?

…и объявлял большинство границ на бродмановской карте плодом воображения. Lashley, Clark, 1946.

…кортикальной эквипотенциальности (равноценности). Lashley, 1946.

…свыше ста миллионов нейронов. По мнению некоторых специалистов, бродмановское поле 17 содержит более 100 миллионов нейронов (см. эту оценку в: Huttenlocher, 1990).

 

Глава 3. Нет нейрона, который был бы как остров

Рис. 13. Хотя в мозгу не существует нейронов-островов, изолированные нейроны можно вырастить в пластмассовой чашке, как и показано на рис. 13. Но даже этот нейрон не совсем походит на остров: его отростки простираются далеко за пределы картинки, образуя связи с другими нейронами в той же чашке. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Эти величины отличаются в миллион раз. А если не ограничиваться мозгом, то выяснится, что нейриты могут быть еще длиннее. Некоторые из них проходят от головного мозга к спинному, а другие соединяют спинной мозг с пальцами рук и ног. Не забудем, что у жирафов и китов тоже имеются нейриты.

…два больших круглых сечения нейритов (обозначенных как ax и sp). Здесь ax – аксон, sp – вырост дендрита, торчащий из него подобно шипу. [Такой вырост называется дендритным шипиком.]

…но всё же не соприкасаются. На рис. 14 не видны многообразные молекулы, которые заполняют щель между мембранами двух нейронов, обеспечивая их непосредственный контакт. Впрочем, при более сильном увеличении начинает рушиться само понятие «соприкосновения». То, что мы называем материей, состоит главным образом из пустоты между ее частицами.

…лишь небольшой набор нейротрансмиттеров… Эклс (Eccles et al.,1954) провозгласили принцип, согласно которому нейрон выделяет единственный нейротрансмиттер. Они сослались на сэра Генри Дейла, который в 1936 году получил Нобелевскую премию за исследования в области синаптической передачи нервных импульсов. Позже Эклс (Ecc les, 1976) пересмотрел принцип Дейла, допустив множественность нейротрансмиттеров, вырабатываемых нейроном. В 1963 году Эклс совместно с другими учеными также получил Нобелевскую премию за свои работы в области изучения синапсов. Не так давно ученые обнаружили еще одно исключение из этого принципа: оказывается, нейроны способны переключаться с одного нейротрансмиттера на другой.

Мысли – секреция мозга! Французский философ и физиолог XVIII века Пьер Кабани писал, что «мозг выделяет мысли, подобно тому как печень выделяет желчь».

…трудно посылать их в строго определенную мишень. У большинства биологических систем передача химических сигналов основана на специфичности молекулярного связывания (механизм «ключ-замок»). Этого недостаточно, чтобы предотвратить взаимные помехи между синапсами, поскольку многие синапсы используют один и тот же нейротрансмиттер.

…свести к минимуму эти взаимные помехи… Мы не говорим, что эти помехи нулевые. Известно, что некое избыточное количество нейротрансмиттера всё же иногда выделяется. В некоторых случаях оно играет важную роль в функционировании мозга.

…«самым дорогим в мире диванчиком на двоих». Russell, 1978.

…67 миль переплетенных проводов… Kolodzey, 1981.

…облекли изоляцией… Небольшие взаимные помехи все-таки могут возникать – из-за электрических полей, проникающих сквозь изоляцию.

…миллионы миль тончайших нейритов… Объем мозга – свыше миллиона кубических миллиметров, значительную часть этого объема занимает кора. Один кубический миллиметр коры, по данным некоторых исследователей, содержит несколько миль нейритов (Braitenberg, Schüz, 1998).

Аксон – одиночный отросток, длинный и тонкий… Это описание годится для весьма распространенного типа нейронов – пирамидального нейрона коры головного мозга. Однако есть много других типов нейронов, и по виду все они отличаются. Для некоторых типов нейронов различие между дендритом и аксоном даже оказывается несущественным, особенно в нервных системах беспозвоночных. У нейронов такого типа каждый нейрит и принимает, и посылает синаптические сигналы.

…типичный синапс… Впрочем, есть синапсы, передающие сигнал от аксона к телу клетки, от дендрита к дендриту, от аксона к аксону – практически любые вариации, какие только можно себе представить.

…расслышать сквозь статические помехи. Вслед за телеграфом был изобретен телефон – для аналоговой коммуникации, то есть такой, при которой голос передается без кодирования в электрические импульсы. Но в наше время телефонная система из аналоговой опять стала цифровой, в ней применяется что-то вроде азбуки Морзе. Кодирование и декодирование происходят незаметно для пользователя, поскольку они проделываются быстро и автоматически – электронными схемами, а не живыми телефонистками. Почему наши сложные телефонные аппараты вернулись к методам примитивного телеграфа? Одна из причин в том, что нынешние системы связи должны передавать информацию с максимально возможной скоростью. Скорость ограничена помехами, и оптимальная стратегия – вернуться к цифре.

Рис. 17. Здесь представлен небольшой фрагмент записи электрического сигнала от нейрона гиппокампа подопытной крысы, изучающей лабиринт. Эксперимент описан в: Epztein, Brecht, Lee, 2011.

…проходящий через него нервный импульс вызывает секрецию. Я говорю «проходящий», так как синапсы чаще всего возникают на аксоне, так что нервные импульсы пролетают мимо них. Некоторые синапсы располагаются в тупиках аксонов, так что пики в них и затухают.

…синапс превращает электрический импульс в химический сигнал… О том, как рецепторы трансформируют химические сигналы в электрические, подробно рассказано в главе 6.

…нервный импульс обычно движется по аксону от тела клетки… Это так называемый закон динамической поляризации. Нейробиологи иногда нарушают его при помощи электрической стимуляции порождая пик, который идет в обратную сторону – по аксону к телу клетки. Такое «антидромное» распространение импульса в направлении, противоположном нормальному, доказывает, что передача сигнала по аксону возможна в обоих направлениях.

…и клеток, которые поддерживают их существование. В нервной системе есть и клетки, которые не являются нейронами. Эти клетки называют глиями. Они принадлежат к различным типам и совершенно необходимы для поддержания жизни и нормального функционирования мозга. Я придерживаюсь традиционного сравнения: глиальные клетки – словно съемочная группа, помогающая актерамнейронам, которые снимаются в нашем умственно-психическом фильме. Количество нейронов и глиальных клеток примерно одинаково (Azevedo et al., 2009). Подробнее о глиях см. в: Fields, 2009.

…аксоны нервов создают синапсы с волокнами мышц… Так называемые нейромышечные стыки: термин ввели, чтобы отличать их от обычных синапсов между нейронами.

«Человек способен лишь перемещать предметы…» Sherringt on, 1924.

…190 станций. Bradley, 1920.

Почти все синапсы слабы. Некоторые радикально настроенные специалисты убеждены, что существует небольшое количество сильных синапсов, играющих важнейшую роль в функционировании мозга.

…отдельный нервный путь обычно не способен сам по себе передать импульс. Хотя синапсы слабы, отдельный нейрон все-таки может заставить другой нейрон породить нервный импульс. Просто нужно, чтобы эти нейроны соединяло большое количество синапсов. Однако на практике такая ситуация встречается, судя по всему, редко.

…все синапсы, созданные аксоном с другими нейронами… На самом-то деле синапсы ведут себя стохастическим образом. При каждом нервном импульсе какой-то случайный набор синапсов отказывается выделять нейротрансмиттер.

…сигналы идут по всем возможным путям… В случае со змеей ваши глаза передают сигнал ногам, а не слюнным железам. В случае с бифштексом – наоборот. В телекоммуникационных сетях такая избирательность достигается с помощью маршрутизации. У каждого послания есть свой адрес, отличающийся от содержания послания. Яркий пример – отправка бумажного письма. Адрес пишется на конверте, а само письмо находится внутри. Та же история с телефоном. Вы набираете номер, чтобы сделать звонок, но «посланием» будет уже не набранный номер, а содержание последующего разговора. Узел коммуникационной сети отправляет входящее послание по нужному маршруту, определяя его адрес и передавая его на узел, который находится ближе к пункту назначения. Послание движется по сети в зависимости от этих решений. Решения принимают сотрудники почтовых контор или многочисленные реле телефонной сети. Даже если бы отдельный нервный путь мог передавать импульсы, не совсем понятно, как нервная система могла бы направлять их по нужному нервному пути, чтобы те достигли пункта назначения. Аксоны не занимаются никакой маршрутизацией, они просто направляют нервные импульсы по всем своим синапсам. Возможно, маршрутизацией занимается еще какая-то часть нейрона, однако вся эта концепция имеет один фундаментальный недостаток: неясно, каким образом ипульс может нести в себе одновременно и послание, и его адрес. Вот почему телекоммуникационные сети – возможно, не лучшее сравнение для мозга. Однако это теоретическое возражение не снимает вероятности того, что послания могут состоять из последовательности пиков, что маршрутизаторами могут выступать группы нейронов и что мозг, рассматриваемый на более глубинном уровне, все-таки окажется похож на телекоммуникационную сеть. Некоторые теоретики упорно считают, что идея маршрутизации помогает лучше разобраться в функционировании мозга (Olshausen, Anderson, Van Essen, 1993).

Если в дендритах не хватит пиков… Хойзер (Häusser et al., 2000), а также Стюарт (Stuart et al., 2007) рассказывают о том, что традиционная концепция «Дендриты не дают нервных импульсов» в последнее время подвергается сомнению. Опыты на живых нейронах срезов мозга показали, что дендриты могут давать пики. Если это явление происходит и в нетронутом мозгу, может оказаться, что каждый дендрит нейрона принимает голоса своих синапсов, а затем тело клетки учитывает волеизъявление своих дендритов. Это похоже на президентские выборы в США, где на всеобщих выборах голосуют жители штата, избирая выборщиков, а затем уже голосует коллегия выборщиков от каждого штата. В принципе кандидат может выиграть эти двухстадийные выборы, не получив большинства голосов населения.

Сильные синапсы порождают сильный ток в дендритах… Мы упрощаем. Понятие силы синапса достаточно сложно, чтобы его можно было выразить одним-единственным численным показателем.

…модели «неравноценного голосования». Инженеры называют ее «линейной пороговой моделью» нейрона, а подсчет голосов – линейной операцией, тогда как преодоление порога – операция нелинейная. Еще одно название для этой модели – «простой перцептрон».

…этот «подсчет» занимает от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. В этом химические синапсы тоже оказываются проворнее своих электрических коллег.

Ингибирующие синапсы… Более очевидные доказательства важности синаптического ингибирования можно получить, изучая движение. Мышцы, как правило, объединены в пары, два элемента которых обладают противоположным действием. Пример – бицепсы и трицепсы, расположенные по сторонам верхней части рук. Бицепс сгибает вашу руку в локте, трицепс – разгибает. Нервная система постоянно посылает импульсы бицепсам и трицепсам. Вот почему во время отдыха ваши мышцы не полностью расслаблены: они сохраняют некоторый мышечный тонус. Когда вы сгибаете руку в локте, ваша нервная система посылает больше импульсов бицепсу, заставляя его сжаться, и одновременно посылает меньше импульсов трицепсу, заставляя его расслабиться. Одна из причин такого снижения количества импульсов – то, что моторные нейроны, управляющие трицепсом, получают ингибирующий сигнал от синапсов.

…ингибирует возникновение пика… Точнее, различие между возбуждением и ингибированием определяется так называемым обратным потенциалом синапса и зависит от того, выше он или ниже порогового значения, при котором нейрон дает нервный импульс.

…еще один тип синапсов… Электрический синапс, или «узел разрыва», состоит из группы молекул, каждая из которых представляет собой крошечный туннель, соединяющий внутреннюю часть одного нейрона с внутренней частью другого.

…ряда других ограничений… Во многих других отношениях электрические синапсы не так сноровисты. Продолжительность электрических импульсов в синапсах невелика и является фиксированной величиной. Электрический ток обычно идет в обоих направлениях, хотя может более охотно течь в одном из них. Если двусторонность кажется вам совершеннее односторонности, можете считать электрические синапсы могущественнее химических. Однако двустороннюю коммуникацию между нейронами можно установить с помощью двух химических синапсов, по одному на каждое направление, тогда как электрические синапсы не способны на одностороннюю связь. Поэтому двусторонняя коммуникация сама по себе налагает ограничения. Известно, что электрические синапсы играют важную роль, когда совокупности нейронов требуется одновременно породить нервный импульс. Для такой синхронности как раз и нужна быстрая двусторонняя связь. Электрические синапсы дают лишь электрическое воздействие, тогда как химические синапсы могут еще и генерировать молекулярные сигналы в принимающем нейроне. Дополнительные стадии химической передачи сигнала могут замедлять его, однако с помощью других процессов сигнал может усиливаться и модулироваться.

Как же нам пересмотреть «голосовательную» модель с учетом ингибирования? О более простом типе воздействия ингибирования на нейронные пути можно и не упоминать: отдельный путь, содержащий смесь возбуждающих и ингибирующих синапсов, не способен передавать нервные импульсы, как бы сильны ни были синапсы.

…наложить вето на результат голосования множества возбуждающих синапсов. В 1943 году нейробиологи-теоретики Уоррен Мак-Каллок и Уолтер Питтс представили первую «голосовательную» модель нейрона. Модель МакКаллока – Питтса следовала принципу «Один синапс – один голос», но лишь для возбуждающих синапсов. Ингибирующему синапсу разрешалось обладать правом вето, позволяющим аннулировать результат волеизъявления множества возбуждающих синапсов. Можно показать, что модель Мак-Каллок – Питтса является частным случаем модели «неравноценного голосования»: в предложенной ими модели просто дается очень большая цена голосу ингибирующего синапса.

Возбуждающий нейрон предлагает другим нейронам только возбуждающие синапсы… Это следует из принципа Дейла, поскольку конкретный нейротрансмиттер обычно оказывает одно и то же электрическое воздействие на любой нейрон – либо всегда возбуждающее, либо всегда ингибирующее. (Знак, которым характеризуется электрический ток, зависит от молекулярных механизмов на принимающей стороне синаптической щели.)

Такое единообразие не сохраняется… Не распространяется оно и на силу синапсов. Нейрон может создавать сильный синапс с одним нейроном, а слабый – с другим.

…большинство нейронов – возбуждающие. В коре головного мозга примерно 80 % возбуждающих нейронов и около 20 % ингибирующих.

…усиливает его избирательность… О важности селективного пикообразования можно порассуждать и с иной точки зрения. Природа идет на множество ухищрений, чтобы воспрепятствовать взаимным помехам между «проводами». Зачем это делать, если из-за конвергенции и дивергенции (схождения и расхождения «ветвей») в каждом нейроне сигналы все равно смешиваются? Селективность необходима из-за того, что нейроны часто отказываются давать нервный импульс.

Мозг относится к совсем другому типу… Компьютеры заполонили нашу повседневную жизнь, но мы уже не задумываемся о том, насколько же они на самом деле странны. Цифровой компьютер – уникальная машина именно в силу своей универсальности. Подобно швейцарскому армейскому ножу с его бесчисленным множеством функций, компьютер способен проделывать вычисления любого типа, если его снабдить нужным софтом. (Это упрощенная формулировка тезиса Чёрча – Тьюринга, сформулированного для абстрактной модели вычислительного устройства – универсальной машины Тьюринга. Машину эту можно уподобить современному компьютеру с жестким диском бесконечной емкости.) Компьютер имеет принципиальное отличие от ящика с инструментами, где имеется молоток, отвертка, пила, гаечный ключ, дрель, и каждый из этих инструментов предназначен для выполнения определенной функции. Отдельные участки мозга тоже специализируются на определенных функциях, и мозг больше напоминает ящик с инструментами, чем универсальный компьютер. Подобно тому как форма и устройство пилы или молотка тесно связаны с их плотницкими функциями, структура участков мозга, по всей вероятности, тоже тесно связана с их функциями.

…несколько отличаются от тех, что описаны в голосовательной модели. Эта модель лишь с известной степенью приближения описывает реальный нейрон, который в действительности может оказаться более сложным объектом. Краткое описание неточностей такого приближения см. в: Bullock et al., 2005. Обзору свойств дендритов посвящена целая книга (Yuste, 2010).

 

Глава 4. Кругом одни нейроны

…позволяет ему делать и научные наблюдения… Quiroga et al., 2005.

Даже фото Джулии Робертс… Эксперимент Фрида поражает, потому что был проделан на людях. Результаты поражают меньше, если вы знакомы с работами его предшественников, которые проделывали сходные опыты на обезьянах и других животных. Так, в одной работе (Desimone et al., 1984) сообщалось о нейронах, которые дают избирательный отклик на те или иные лица.

…когда звездная парочка развелась. На самом деле наблюдалось несколько пиков, пусть и не очень много. Фрид с коллегами отыскали у того же человека другую группу нейронов, которая избирательно (может быть, ностальгически?) активировалась совместной фотографией Энистон и Питта, но не Энистон, снятой в одиночестве.

…нейрон этой знаменитости… В своей знаменитой статье Хорас Барлоу назвал это теорией восприятия, связанной с «бабушкиной клеткой», шутливо замечая, что в его мозгу имеется нейрон, который активен, лишь когда рядом находится его, Хораса Барлоу, бабушка (Barlow, 1972). Впрочем, Гросс (Gross, 2002) приписывает создание теории «бабушкиной клетки» Джерому Летвину (Jerome Lettvin).

…за небольшую их долю. Эта модель, предполагающая, что за распознавание того или иного образа отвечает не один нейрон, а больше, действительно лучше согласуется с экспериментальными данными, чем модель «один образ – один нейрон». Выше я говорил о нейронах, каждый из которых откликается на определенную знаменитость, но такие нейроны находятся в заметном меньшинстве. Куда больше нейронов в ходе этих экспериментов вообще не откликались на изображения каких бы то ни было знаменитостей. На две знаменитости откликалось меньше нейронов, чем на одну. Как это согласуется с моделью «небольшой доли»? Сравним случайный отбор знаменитостей и бросание стрелок для дартса с завязанными глазами. Найти активирующую нейрон знаменитость – то же самое, что попасть при таких условиях в мишень: оба события весьма маловероятны. Скорее всего, вы вообще не попадете в цель. Если вам повезет, то одна стрела все-таки угодит в мишень. Но вряд ли это удастся двум или большему количеству. Таким образом, описанный эксперимент не исключает возможность существования нейронов, которые действительно откликаются лишь на одну определенную знаменитость. Но чтобы выявить такие нейроны, экспериментатор должен показывать испытуемым гигантский набор фотоснимков.

Число возможных узоров колоссально… Для простоты мы сделали допущение: рисунок активности может быть лишь бинарным. Иными словами, каждый нейрон может быть либо активным, либо неактивным. Это определение можно уточнить, введя в него сведения о том, насколько быстро активные нейроны дают нервные импульсы. Тогда рисунок активности будет содержать еще больше информации.

…Лейбниц ошибался. Знатоки философии могут не согласиться с моим заявлением, подчеркивая, что Лейбниц рассуждал не о восприятии, а о качествах (qualia) – субъективных ощущениях, которые сопутствуют восприятию. Иными словами, на самом деле он имел в виду сознание, а измерение нервных импульсов о сознании нам пока мало что сказало.

…разновидность чтения мыслей… Можно ли применить ФМРТ для чтения мыслей? Не так давно некоторые ученые заявили, что ФМРТ можно использовать для того, чтобы определить, лжет испытуемый или нет (Langleben et al., 2002; Kozel et al., 2005). Полиграф – стандартный «детектор лжи», применяемый при расследовании преступлений или при найме на работу. Он измеряет кровяное давление, пульс, интенсивность потоотделения и электрическую проводимость кожи: считается, что все эти параметры отражают скрытый эмоциональный стресс, которым часто сопровождается акт вранья. Однако есть множество скептиков, сомневающихся в точности полиграфа. А поскольку ФМРТ непосредственно оценивает умственно-психическое состояние человека, активизируя те или иные участки его мозга, она могла бы оказаться более точным методом оценки того, говорит ли человек правду. В ходе лабораторных исследований некоторые ученые (по их собственным утверждениям) получили хорошие результаты, применяя «мозговой сканер» для различения лжецов и тех, кто говорит правду. На базе этого исследования предприниматели создали две новые компании, пытаясь коммерциализировать детекторы лжи, основанные на ФМРТ. Пока неясно, окажется ли ФМРТ-детектор эффективнее полиграфа, но для нашего обсуждения это неважно. Главное в том, что исследователи, занимающиеся подобным применением ФМРТ, надеются лишь на самый примитивный тип чтения мыслей. Никто из них и не мечтает использовать ФМРТ для расшифровки более сложных ментальных процессов – например, восприятия образа Дженнифер Энистон.

«…на плечах гигантов». Недавно отдельные историки-радикалы заявили, что это замечание – не скромное, а скорее уж саркастическое, поскольку оно взято из письма научному сопернику Ньютона – Роберту Гуку, который был горбуном. Ньютон и Гук позже стали настоящими врагами в ходе вспыхнувшей между ними дискуссии о вопросах оптики.

…получает возбуждающие сигналы… Возможно, вы заметили, что в этом правиле кое-чего не хватает – ингибирующих нейронов. Большинство кортикальных нейронов – возбуждающие, но ингибирующими пренебрегать не следует, ведь у них тоже есть своя функция. Вспомним, что «нейрон Дженнифер Энистон» не реагировал на фотографии Дженни вместе с Брэдом Питтом. Можно объяснить такое поведение, добавив в нашу модель ингибирующий синапс от нейрона, детектирующего образ Брэда. Если этот синапс достаточно силен, результат его голосования окажется значимее, чем голосование нейронов, опознающих компоненты Дженни, и тогда нейрон не отреагирует на снимок, где она запечатлена вместе с Брэдом. И вообще существует концепция, согласно которой ингибирующие синапсы полезны для проведения тонких различий между сходными раздражителями. Возбуждающие синапсы, допустим, позволяют нейрону дать нервный импульс в ответ на определенную форму носа, а ингибирующие мешают ему дать пик в ответ на носы схожей формы.

…сеть, которая организована иерархически. На самом деле «правило части и целого» используется лишь для подключения нейронов в каждом втором слое сети. Другая ее половина следует иному правилу: нейрон получает возбуждающие синапсы от тех нейронов, которые детектируют чуть иные варианты тех же раздражителей. Такой нейрон имеет низкий порог пикообразования и, следовательно, откликается на любую из этих вариаций раздражителя. Это требуется для успешного проявления еще одного важного свойства восприятия: его устойчивости к «несущественным» различиям между стимулами.

…перцептрона… Некоторые используют термин «перцептрон», лишь говоря о единичном слое синапсов, а в более общем случае говорят о «многослойном перцептроне». Но Розенблатт (Rosenblatt) изначально применял этот термин к многослойной сети, и здесь я следую его терминологии.

…из слоя непосредственно под ним. Перцептрон обладает свойством, которое не согласуется с известными нам особенностями связей в мозгу: нервные пути перцептрона идут лишь от нижней части иерархии к ее верхушке. В реальном мозгу есть и связи, идущие в противоположном направлении. Какова может быть роль таких связей «верха и низа» в восприятии, как они могут быть организованы? В модели «интерактивной активации» (McClelland, Rumelhart, 1981) нейрон, отвечающий за распознавание буквы, получает сигналы «снизу вверх» от нейронов, детектирующих отдельные штрихи этой буквы. (Такие связи «части с целым» обсуждаются в основном тексте нашей книги.) Но с помощью этого подхода не удается объяснить простое явление: откуда вы знаете, что средняя буква в слове К-Т – скорее всего, А, И или О, но не Е и не Ю? Согласно модели интерактивной активации, нейрон, детектирующий букву, получает также сигналы «сверху вниз» от нейронов, распознающих слова, которые данную букву содержат. В вышеприведенном примере детектор буквы И должен принимать сигналы от детектора слова КИТ. Возможно, существует более общее правило: «Нейрон, детектирующий целое, направляет возбуждающие синапсы нейронам, распознающим части». Это позволяет нейрону опознавать раздражитель, взвешивая данные, получаемые и по линии «снизу вверх», и по линии «сверху вниз».

…или многих других людей, у которых голубые глаза. Множество «целых» может иметь одну общую часть, вот почему иерархический подход эффективнее «плоского».

…коннекционизмом. Термин «коннекционизм» чаще относят к движению в когнитивной науке, возникшему в 1980-х годах и стремившемуся понять человеческое сознание с пом ощью моделирования нейронных сетей, построенных по принципу «неравноценного голосования». Философы, занимавшиеся проблемами сознания, противопоставляли такой подход «символическому» уподоблению сознания компьютеру. Но эти жаркие споры давно канули в прошлое, и теперь, как мне представляется, лучше использовать этот термин в более широком смысле, о котором я и веду речь. Ведь связанная с этим учением интеллектуальная традиция, берущая начало еще в XIX столетии, продолжает развиваться.

…возникать из восприятия образа или из наших мыслей. Некоторые считают СЧЛД своеобразной верхушкой иерархии, о которой мы говорили ранее (см. рис. 51). В нижней части этой иерархии – области коры, отвечающие лишь за восприятие как таковое. Процесс мышления не активирует (или, по крайней мере, не очень сильно активирует) нейроны в этих областях. Похоже, грань между восприятием и мышлением не так уж тонка. Судя по всему, нейроны могут в различной степени вовлекаться в процесс мышления, и эта степень тем больше, чем выше нейрон находится на этой иерархической шкале.

…память никогда не работает идеально… Отдельные теоретики утверждают: ингибирующие нейроны могут с большей точностью контролировать распространение активности, чем это проделывают нейронные пороги, вот откуда берутся внезапные вспышки неожиданно ярких воспоминаний.

…катастрофической информационной перегрузки… Ингибирующие нейроны увеличивают емкость памяти, препятствуя распространению нейронной активности. Чтобы выполнять такую «мешающую» функцию, связям ингибирующего нейрона вообще не очень-то нужна какая-то слишком уж сложная организация. Если каждый из них получает синапсы от случайного набора возбуждающих нейронов, он будет активироваться, когда активируется эта «толпа». Если он направляет синапсы другому случайному набору возбуждающих нейронов, это будет оказывать сдерживающее действие на их «толпу». Инженер сказал бы, что ингибирующие нейроны дают эффект «отрицательной обратной связи» при воздействии на возбуждающие нейроны. Классический пример отрицательной обратной связи – термостат домашней системы отопления. Если температура в нагретой комнате переваливает за определенный предел, термостат отключает нагрев; если температура понижается, термостат снова его включает. В обоих случаях термостат действует так, чтобы противостоять изменению температуры. Подобным же образом и ингибирующие нейроны действуют так, чтобы противостоять изменениям активности возбуждающих нейронов. С этой точки зрения, ингибирующие нейроны играют лишь вспомогательную роль в функционировании мозга, так что их связи и не должны быть слишком уж избирательными и специфичными.

…распространяется слева направо. Похоже на лежащий на боку перцептрон, правда? Но хотя синаптическую цепочку можно рассматривать как частный случай перцептрона, она во многом отличается от типичного перцептрона, который используется для моделирования человеческого восприятия. Нейроны одного слоя перцептрона обычно детектируют различные стимулы, поэтому каждый из них соединен со своим поднабором нейронов из предыдущего слоя. (А если они подключены к одним и тем же нейронам, синапсы различаются по своей силе.) Все нейроны одного слоя синаптической цепочки активируются вместе, так что их связям с предыдущим слоем нет нужды быть различными. Синаптическую цепочку многие описывали математическими моделями (см, например: Amari, 1972; Abeles, 1982). Схожие модели в 1980-х годах построил американский физик-теоретик Джон Хопфилд (John Hopfield).

Теорию коннекционизма создавало… Идею и название клеточного ансамбля предложил Дональд Хебб (Hebb, 1949). Первые компьютерные модели нейронных сетей с участием клеточных ансамблей относятся к 1950-м годам. Английский теоретик Дэвид Марр и японский теоретик Шуничи Амари – два выдающихся исследователя, которые еще в шестидесятых – семидесятых годах прошлого века без всякого компьютера, с помощью карандаша и бумаги, выводили уравнения, описывающие такие модели (см., например, Marr, 1971; Amari, 1972). Но подлинный взлет коннекционизма наступил в 1980-х, с появлением программных работ Джона Хопфилда (Hopfield, 1982; Hopfield, Tank, 1986). С помощью редкостных математических методик, позаимствованных из области физики, именуемой теорией спиновых стекол, физики-теоретики сумели с блеском рассчитать емкость памяти – путем статистической обработки результатов исследования эффектов перекрывания клеточных ансамблей (Amit, 1989; Mezard, Parisi и Virasoro, 1987; Amit et al., 1985). К 1990-м годам пыл этих исследователей несколько поутих, однако они успели выявить массу любопытных свойств данных моделей. Примерно в это же время «PDP Research Group», коллектив ученых-когнитивистов, опубликовал двухтомный манифест, содержащий множество интересных коннекционистских моделей и оказавший большое влияние на дальнейшее развитие науки (Rumelhart, McClelland, 1986).

…статью «Проблема серийности и порядка в поведении»… Лешли приписывал создание «модели ассоциативной цепочки» британскому психологу Эдварду Титченеру, цитируя его книгу 1909 года. На самом деле оба автора имели в виду скорее цепочки психологических ассоциаций, чем нейронные связи. Нейробиолог Лешли почему-то не использовал в своей статье термин «синапс». Тем не менее из текста статьи явствует: речь идет именно о синаптических цепочках.

…бесконечное количество разнообразных последовательностей сигналов. Должны также существовать места, где две цепочки сливаются в одну, иначе нам бы очень скоро не хватило нейронов. (Мы имели бы дело с геометрической прогрессией, и уже после 40-го ветвления необходимое число нейронов превысило бы триллион. – Прим. перев.)

…проблемы синтаксиса. В том же русле критики лежат возражения некоторых ученых-компьютерщиков, заявляющих, что взаимоотношения между идеями богаче и сложнее, нежели простое ассоциирование. Сказать, что идеи рыбы и воды связаны друг с другом (ассоциированы), не означает полностью описать их взаимодействие и взаимозависимость. Куда информативнее сообщить, что рыба живет в воде. Специалисты по искусственному интеллекту представляют такие взаимодействия в виде «семантической сети» (семантического поля), которая выглядит как коннектом, только над каждой стрелкой в ней надписан тип связи.

…пытались отвечать на второе возражение Лешли… Эти коннекционистские модели достигают большей вычислительной мощи благодаря включению в них скрытых переменных – чтобы усилить роль переменных, которые используются для выражения неявных идей и понятий.

 

Глава 5. Собирание воспоминаний

…камни весом по две с половиной тонны… Каменные блоки пирамид отличаются по размерам. Мы приводим здесь их приблизительную среднюю массу (см.: Petrie, 1883). Большинство блоков состояли из известняка, но имелись среди них и гранитные.

…2,3 миллиона блоков… Petrie, 1883.

…сотни тысяч рабочих… Как писал Геродот, сто тысяч рабов двадцать лет трудились над тем, чтобы переправить эти блоки из отдаленной каменоломни к пирамиде. Многие современные египтологи не согласны с этой оценкой: они полагают, что главные каменоломни находились поблизости от места строительства, что количество строителей было меньше и что они не были рабами.

«В уме у человека существует как бы восковая доска…» Платон, «Theatetus».

Затем специальным инструментом с плоским краем воск разглаживали… Draasima, 2000.

Скульпторы и инженеры… Термин «пластичность» пришел из материаловедения. Пластичный материал сохраняет новую форму после деформации; эластичный же материал после деформации быстро обретает первоначальную форму снова. Поскольку воск пластичен, он может сохранять отпечатки, а значит, удерживать в себе информацию о прошлом. В техническом смысле прилагательное «пластичный» описывает отклик материалов на деформацию.

…это явление я называю рекомбинацией связей. Различие между изменением синаптического веса (ИСВ) и рекомбинацией связей проявляется четче всего, если между нейроном А и нейроном Б есть самое большее один синапс (как это обычно и предполагается в рамках данной главы). Различие размывается, если между А к Б больше одного синапса: тогда при возникновении и последующем исчезновении синапсов какие-то нейроны могут оставаться связанными, будет меняться лишь число импульсов, которые нейрон А посылает нейрону Б. Это, в свою очередь, изменит «удельный вес» голосов нейрона А в импульсообразовании нейрона Б, в итоге вызвав скорее ИСВ, нежели рекомбинацию связей.

В 1960-е годы нейробиологи полагали… Я говорю о «большинстве нейробиологов», скорее опираясь на разговоры профессионалов, мне трудно документировать это утверждение. Один из примеров – австралийский нейробиолог сэр Джон Эклс, который писал, что процесс обучения (усвоения новой информации) включает в себя «всего-навсего укрупнение и рост эффективности тех синапсов, что уже существуют, а не выращивание новых связей» (Eccles, 1965). Розенцвейг (Rosenzweig, 1996) представил исторический обзор проблемы с точки зрения нейробиолога, но этот вопрос следует изучить историкам науки.

…возникают и исчезают даже в мозгу взрослого человека. Ученые наблюдали также, как дендритные шипики меняются в размерах, а значит, синапсы при этом, возможно, изменяют свою силу.

Рис. 23. Данные, которые легли в основу этого изображения, получены в ходе эксперимента, описанного в: Yang, Pan, Gan, 2009.

…подсчитывая синапсы… Greenough, Black, Wallace, 1987.

…предложить неофренологическую теорию… Некоторые исследователи обращали внимание не только на количество синапсов, но и на их размеры. Есть свидетельства, что размер синапса коррелирует с его силой. Ученые обнаружили, что «обогащенная» среда увеличивает средний размер синапсов коры головного мозга подопытных крыс. Однако не следует напрямую связывать обучение с увеличением размера синапсов, как и с увеличением их количества. В ходе других аналогичных экспериментов было показано, что средний размер синапсов, напротив, уменьшается. Какая из этих тенденций будет доминировать, определяется тем, в каком месте коры располагаются синапсы и какой слой нейронов вовлечен в их возникновение.

Правило, описывающее последовательную активацию нейронов, предложил Дональд Хебб. Hebb, 1949. «Последовательное» правило также предложил еще в конце XIX века шотландский философ Александр Бэйн (Alexander Bain, см.: Wilkes, Wade, 1997), но его теорию не приняли всерьез. Возможно, Бэйн родился слишком рано: в ту эпоху еще мало знали о мозге. Сам он знал о нервных волокнах и нервных путях, догадывался о существовании связей между отдельными путями, но существование нейронов или синапсов еще не стало тогда общепризнанным фактом.

…хеббовская пластичность описывает лишь синапсы между возбуждающими нейронами. О пластичности синапсов между ингибирующими нейронами известно меньше, так что мы здесь о ней говорить не будем. По распространенному мнению, связи между возбуждающими нейронами более избирательны и специфичны, они сильнее подвержены воздействию процесса обучения. Те же связи, что включают в себя ингибирующие нейроны, относительно «неразборчивы» и, возможно, менее подвержены воздействию обучения.

…выделить сигнал единичного нейрона… Этот метод (названный «записью единичного сигнала») впервые опробовал английский ученый Эдгар Эдриан (Edgar Adrian), получивший в 1932 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине, а позже – титул лорда.

…вы приближаете ухо ко рту вашего друга… Синапсы, идущие к мышцам, уже изучались в 1930-х – 1940-х годах. В пятидесятые годы Джон Эклс и другие исследователи усовершенствовали метод внутриклеточной записи и применили его к синапсам спинного мозга. В 1963 году Эклс получил Нобелевскую премию (совместно с другими учеными) в частности и за эти работы.

…вставляем электроды… Здесь описано использование двух внутриклеточных электродов при изучении конкретной пары нейронов. Это наиболее точный и относительно современный метод изучения синапсов. Эклс применял одиночный внутриклеточный электрод, записывая сигналы от одного постсинаптического нейрона (т. е. расположенного «за» синапсом) и стимулируя большое количество пресинаптических нейронов (т. е. расположенных «перед» синапсом), пропуская ток через внеклеточный провод.

Величина этого всплеска… Если между нейроном А и нейроном Б окажется не один, а больше синапсов, на размере всплеска скажется сила всех этих синапсов.

…повторная стимуляция… Bi, Poo, 1998; Markram et al., 1997. Какая стимуляция более эффективна для наведения пластичности – последовательная или одновременная? Это зависит от типа нейронов. Строго говоря, эти эксперименты не продемонстрировали изменений в единичных синапсах. Между нейронами изучаемой пары имелся не один синапс, а больше, и эксперименты показали изменение их суммарной силы. И вообще в ходе таких экспериментов трудно провести различие между ИСВ и рекомбинацией связей. Если взаимодействие между двумя нейронами усиливается, это может являться результатом увеличения количества синапсов между ними, а не усиления синапсов. Здесь нет места обсудить еще одну интересную проблему: механизм, посредством которого синапс определяет одновременное или последовательное пикообразование. Судя по всему, за это отвечает специальная молекула, названная рецептором глутамата (NMDA-рецептором).

…Брэда с Анджелиной… Некорректно утверждать, что вы забыли об отношениях между Брэдом и Анджелиной: это будет чрезмерным упрощением. Хотя они больше не женаты, вы по-прежнему помните, что когда-то они состояли в браке. Можно представить себе, что у нас имеется «нейрон брака» и «нейрон развода». Соответствующий клеточный ансамбль первоначально включает в себя нейроны Брэда, Дженни и брака. Позже этот клеточный ансамбль уже состоит из нейронов Брэда, Дженни и развода. Решение всетаки не совсем удовлетворительное. Однако более «близкое к жизни» решение наверняка вызвало бы критику Лешли, заявлявшего, что коннекционизм не может отображать в себе синтаксис. Впрочем, эта проблема лежит за рамками нашей книги.

…связи между двумя нейронами ослабляются… Так, Стент (Stent, 1973) предположил, что синапс, направленный от нейрона А к нейрону Б, ослабевает, если нейрон А неоднократно оказывается неактивным, когда Б активен. Многие теоретики предлагали другие варианты. Оборотная сторона «последовательной» версии правила Хебба звучит так: если два нейрона неоднократно активируются последовательно, связь, наведенная от второго к первому, ослабевает. Эмпирические доказательства этой гипотезы получили в работах: Markham et al., 1997), а также Bi, Poo, 1998. В сочетании с «классическими» формулировками правила Хебба это дает принцип так называемой «пластичности, зависящей от времени образования пиков».

…прямой конкуренцией между синапсами. Miller, 1996.

…каждая идея обильно (и даже избыточно) представлена множеством нейронов… Поэтому можно дать иное определение клеточного ансамбля: это набор нейронов, где каждая связь между нейронами (если она существует) дает сильный синапс. Можно подправить метафору Локка: представим себе, что мы пишем на белой бумаге, в которой кто-то проделал множество отверстий, и отверстия эти разбросаны случайным образом. При этом мы не пытаемся огибать эти дырки. Отсутствующие части бумаги – как недостающие синапсы в разреженной (слабо связанной) сети. Если ваши буквы значительно крупнее дырок в бумаге, текст все равно можно будет прочесть. Но если буквы мельче дырок, часть информации неминуемо окажется утраченной.

…методом локусов. Yates, 1966.

«…между ними возникают новые связи». Студенты, изучающие нейронауки, переформулировали этот вариант правила Хебба так: «Если нейроны часто встречаются, между ними возникает связь».

Джеральд Эдельман. Edelman, 1987; Changeux, 1985. Противоположный взгляд см. в: Purves, White, Riddle, 1996. Ответ на эту статью см. в: Sporns, 1997.

…возникают по мере необходимости… Такая теория возникновения синапсов в чем-то аналогична эволюционной теории Жана-Батиста Ламарка. Он считал, что животные могут передавать приобретенные свойства по наследству, так что изменчивость скорее адаптивна, нежели случайна. К примеру, он полагал, что человек, благодаря регулярным тренировкам вырастивший себе крупные мышцы, может передать их своим детям. Идеи Ламарка позже были опровергнуты, но недавно они отчасти получили новую жизнь благодаря исследованиям в области эпигенетики.

Джефф Лихтман. Обзор этих находок см. в: Lichtman, Colm an, 2000. Популярное изложение главных идей см. в: Purv es, Lichtman, 1985.

…удалось при этом практически не потерять память… Gilbert et al., 2000.

…охлаждают ниже +18 °C… ГГЦТ часто применяют, когда хирурги удаляют аневризмы мозга. Процесс циркуляции крови останавливают, чтобы предотвратить кровотечение при вырезании аневризмы. Пониженная температура предохраняет мозг от повреждений, которые иначе возникли бы из-за недостаточного поступления кислорода во время операции. При таких низких температурах сердце не может биться нормально, поэтому его полностью останавливают путем введения хлорида калия (он входит в число препаратов, с помощью которых казнят преступников).

У компьютера есть две системы хранения информации… На самом деле всё обстоит несколько сложнее: еще кое-какие данные хранятся в микропроцессоре. Оперативная память (RAM) и жесткий диск – лишь «внешние» (находящиеся вне материнской платы) хранилища памяти.

 

Глава 6. Разведение генов

…воспитывавшихся в разных приемных семьях. Bouchard et al., 1990.

…чем у изучавшихся пар людей, выбранных случайным образом. Строго говоря, корректное сравнение следует проводить с двумя представителями различных пар однояйцевых близнецов, выросших порознь.

…практически не оставляют места для возражений. Сирила Бёрта, пионера в области такого изучения близнецов, посмертно обвиняли в фальсификации результатов. Это бросило тень на всю соответствующую сферу исследований, хотя позже все сомнения развеялись, так как удалось получить новые данные, подтвердившие результаты Бёрта.

…первый закон генетики поведения. Turkheimer, 2000. Второй закон гласит: «Воспитание в семье значит меньше, чем влияние генов». Третий закон формулируется так: «Вариативность сложных поведенческих признаков человека зачастую не объясняется воздействием генов или воспитанием».

…если у одного близнеца наблюдается аутизм… Steff enburg et al.,1989; Bailey et al., 1995. Здесь есть свои градации: точное числовое значение зависит от того, даем ли мы узкое определение аутизму или же рассматриваем заболевания аутического спектра. Кроме того, размеры выборок здесь очень малы, так что получаемые величины статистически некорректны, и по ним нельзя делать уверенные выводы.

…уровень соответствия… В работе: Hallmayer et al. (2011) даются более высокие уровни соответствия для разнояйцевых близнецов по сравнению с более ранними исследованиями (Steff enb urg et al., 1989; Bailey et al., 1995). Согласно этим новым оценкам, генетические факторы действительно влияют на развитие аутизма, но не так сильно, как предполагалось ранее.

А как насчет шизофрении? Cardno, Gottesman, 2000.

…синтезируя белки. Вам может показаться, что клеткам вообще незачем вырабатывать белки, ведь мы потребляем белки с пищей. На самом деле пищеварительная система расщепляет получаемые белки на аминокислоты, а из этих аминокислот клетки делают новые белки.

…каждая клетка вашего организма содержит один и тот же геном. У этого правила есть некоторые исключения, взять хотя бы определенные клетки иммунной системы или вариации, возникающие из-за ошибок при репликации ДНК.

…соединяющий внутреннюю часть нейрона с внешней средой… Иногда «дверь» и «туннель» находятся в одной из близлежащих молекул, а не в самом рецепторе. Рецептор может открыть «дверь», посылая еще один сигнал, подобно тому как электрическая дверь открывается, если нажать кнопку. Такой рецептор не является ионным каналом и именуется метаботропным. Рецепторы, обсуждаемые в тексте, – ионные каналы, они относятся к типу ионотропных.

…называется каналопатией. Kullmann, 2010.

…металлические или глиняные колпаки… Miles, Beer, 1996; Leroi, 2006.

…слишком маленькие размеры мозга при рождении. Клиническое определение микроэнцефалии: размер мозга на 2–3 стандартных отклонения ниже нормы или еще меньше (Mochida, Walsh, 2001).

…узор складок… Mochida, Walsh, 2001.

…из-за большой доли близкородственных браков – между двоюродными братьями и сестрами. Leroi, 2006; Mochida, Walsh, 2001.

…значительной задержкой умственного развития… Mochid a, Walsh, 2004.

…мутации генов, контролирующих миграцию нейронов… Guerrini, Parrini, 2010.

…конус роста ведет себя подобно псу… Kolodkin, TessierLavigne, 2011.

…толстый пучок из двухсот миллионов аксонов… Эту оценку см. в: Tomasch, 1954; Aboitiz et al., 1992.

…подобные изменения не так сильно сказываются на человеке, как микроцефалия. Paul et al., 2007. Пациенты с «расщепленным мозгом», у которых мозолистое тело оказывалось рассечено в результате операции по лечению эпилепсии, также страдали относительно небольшим ухудшением функционирования мозга.

…появляется свыше полумиллиона синапсов в секунду. Эту оценку см. в: Huttenlocher, 1990, рис. 1.

К началу зрелости общее число синапсов снижается… Huttenlocher, Dabholkar, 1997. Сходные наблюдения получены при изучении коры головного мозга обезьян: Rakic, 1986.

…будут связаны отнюдь не идеальным образом. Я уже говорил о каналопатиях – отклонениях, при которых дефектные ионные каналы мешают отдельным нейронам и синапсам нормально передавать электрические сигналы. Поскольку нейронная активность изменяет коннектомы благодаря хеббовской пластичности и другим подобным механизмам, каналопатия, судя по всему, должна приводить к аномалиям в выстраивании межнейронных связей. Данный пример показывает, что коннектопатии могут служить причиной и других типов нейропатологии.

При рождении мозг аутиста в среднем чуть меньше мозга обычного новорожденного… Подробный анализ см. в: Redcay, Courchesne, 2005. Там сведены воедино результаты многих исследований.

…объявляют шизофрению и аутизм расстройствами нейроразвития. Lewis, Levitt, 2002; Rapoport et al., 2005.

…аутизм и шизофрению вызывает какая-то нейропатология… Friston, 1998. Карл Вернике и немецкий психиатр Эмиль Крепелин (Emil Kraepelin) еще в начале XX века предложили теорию, согласно которой развитие психозов обусловлено коннектопатией (Kubicki et al., 2005).

…слишком мало связей… Courchesne, Pierce, 2005; Geschwind, Levitt, 2007.

…в подростковые годы снова резко снижается. Huttenlocher, Dabholkar, 1997.

…подталкивает мозг к психозу. Согласуется ли теория коннектопатии с наблюдаемым действием препаратов, направленных на лечение шизофрении? Проявляемые симптомы психоза становятся менее выражены, если пациенту вводят лекарства, которые влияют на синапсы, выделяющие допамин. Эти симптомы можно вызывать у нормальных людей, вводя им медикаменты, которые влияют на синапсы, выделяющие глутамат. (Примеры таких средств – кетамин или фенциклидин. Если их применять как наркотики, нормальный человек постепенно станет шизофреником, это могут подтвердить врачи «скорой помощи».) Согласно традиционным взглядам, связи в мозгу шизофреника нормальны, однако синапсы у него работают не так, как надо. Неправильное функционирование синапсов корректируется с помощью антипсихотических препаратов, а вызывается, наоборот, психогенными. Но может существовать и другое мнение: антипсихотические средства вызывают изменения функционирования синапсов, и эти изменения компенсируют коннектопатию у шизофреников, тогда как психогенные препараты «подделывают» эффекты коннектопатии для нормальных людей. Такое возможно, поскольку изменения в функционировании синапсов и в распределении связей могут оказывать на организм сходное воздействие. К примеру, резкое ослабление синапса может оказаться неотличимым от его полного исчезновения. Есть и другие, более тонкие версии. Возможно, мы ошибочно считаем аномалии в функционировании синапсов и отклонения в межнейронных связях двумя независимыми типами дефектов. Предположим, исчезновение синапсов вызвано их ослаблением, которое, в свою очередь, вызвано изменением нейронной активности. Если аномалии в функционировании синапсов меняют рисунок активности, то из-за этого и связи в мозгу могут создаваться аномальным образом. Кроме того, всякая аномалия в связях, существовавшая первоначально, может привести к возникновению аномальных рисунков активности, что, в свою очередь, способно привести к дальнейшему развитию аномальных связей. Коннектопатия в таком случае будет сопровождать шизофрению, но трудно будет определить, где причина, а где следствие.

…неофренология не может заранее определить, каким будет IQ у отдельной личности. Впрочем, неофренологи способны уверенно предсказывать умственную отсталость, когда мозг чрезвычайно мал (скажем, при микроэнцефалии).

…у обследуемого разовьется БХ… Лекарства от этой болезни пока не существует, к тому же тест не позволяет предсказать, когда начнут проявляться симптомы. Поэтому большинство людей, среди родственников которых были проявления БХ, предпочитают не проходить этот тест.

Понимание генетики аутизма и шизофрении… Со временем специалисты по геномике, возможно, выявят все генетические дефекты, влияющие на развитие аутизма. Возможно, тогда появится целый спектр генетических тестов, позволяющий более точно предсказывать возникновение этого отклонения. Но даже если будут известны все соответствующие мутации генов, точное прогнозирование аутизма, возможно, затруднят сложные межгенные взаимодействия.

…корректируя генетические дефекты… Ehninger et al., 2011; Guy et al., 2011.

 

Глава 7. Обновление нашего потенциала

…лишь 5–10 % людей действительно достигают долговременной потери веса благодаря диете. Доля зависит от того, что мы понимаем под «долговременным». В более современной книге Селигман отмечает, что 5–20 % сидевших на диете вновь набирают сброшенный вес (или даже больше) в течение трех лет (Seligman, 2011).

Адепты движения «От нуля до трех лет»… Bruer, 1999.

Утолщение коры происходило как у пожилых, так и у молодых… Draganski et al., 2004; Boyke et al., 2008.

…удается наблюдать за этими захватывающими процессами. Meyer, Smith, 2006; Ruthazer, Li, Cline, 2006.

…сами провода жестко зафиксированы. Часто термином «переподключение» обозначают и рекомбинацию связей, но мне кажется, что здесь удобнее называть эти два процесса по-разному.

…бессмысленно разделять на участки. Карл Лешли, автор принципа эквипотенциальности, яростно противился теории кортикальной локализации. Он всеми силами отрицал важную роль кортикальных областей и даже само их существование. В частности, он задавался вопросом, так ли уж нужно понятие локализации для определения нервных функций: «Локализация функций нервной системы – это, очевидно, просто группировка клеток со сходными функциями в тех или иных участках мозга… Какой же деятельности клеток способствует такое расположение? Какие функции они теперь могут выполнять лучше по сравнению с тем состоянием, когда равномерно распределялись по системе? Имеет ли вообще локализация или сильная анатомическая дифференциация какое-то функциональное значение?.. Новые факты о церебральной локализации лишь подчеркивают наше невежество относительно истинных причин какой бы то ни было биологической локализации». Ответы на вопросы Лешли даются в этой главе.

…большинство связей в мозгу осуществляется между близлежащими нейронами. Schüz et al., 2006.

…сигналы прикосновения, температуры и боли… Соответствующие участки мозга расположены в важной структуре – таламусе. Как правило, наиболее прямой путь от всех органов чувств к неокортексу лежит именно через таламус, который поэтому часто именуют «воротами неокортекса». Таламус венчает собой ствол мозга и окружен конечным мозгом. Некоторые ученые включают таламус в состав ствола, другие же относят его к диэнцефалону (промежуточному мозгу).

Джеральд Шнайдер. Один из важных путей распространения слуховой информации – от ушей к стволу мозга и затем к нижнему холмику и медиальному коленчатому телу (МКТ) таламуса и к первичной слуховой коре (бродмановские поля 41 и 42). Один из важных путей распространения зрительной информации – от сетчатки к верхнему холмику. Шнайдер (1973), а также Калил и Шнайдер (1975) в ходе экспериментов на животных намеренно повреждали верхний холмик и аксоны, идущие от нижнего холмика к МКТ. Аксоны сетчатки в результате не врастали в верхний холмик, а направлялись к МКТ, чтобы заполнить возникший там «вакуум». В результате исследователям удавалось подключить глаза к слуховой системе.

…даже после того, как их зрительная кора «отключена»… Зрительная информация направляется не только к верхнему холмику, но и по другому пути – от сетчатки к латеральному коленчатому телу (ЛКТ) таламуса и затем к первичной зрительной коре (бродмановское поле 17). МКТ и ЛКТ – аналогичные друг другу части таламуса, обслуживающие соответственно слух и зрение. Еще в конце 1960-х годов (Sur, Garraghty, Roe, 1968) сходным образом «отключали» зрительную кору, специально повреждая ЛКТ подопытных животных. Похожие результаты получали Фрост и др. (2000) на шнайдеровских хомячках.

…зрительная кора активируется, когда он читает шрифт Брайля… Sadato et al., 1996; Cohen et al., 1997.

…подключение одного участка мозга к другому весьма избирательно. Этот принцип «экономии проводов» объясняет, почему большинство нейронных связей возникает между близлежащими нейронами, а большинство связей соединяет близлежащие области. Можно вывести из этого следующий постулат: коннектом образуется с использованием «проводов» (аксонов и дендритов) минимальной возможной длины. Теоретики применяли этот принцип, объясняя, почему соседние нейроны, как правило, обладают сходными функциями и почему это правило иногда нарушается из-за нарушения непрерывности кортикальных карт. (См.: Chklovskii, Koulakov, 2004.) Экономия проводов – важный принцип, которому следуют конструкторы-электротехники. В частности, иногда им нужно ухитриться разместить транзисторы на поверхности кремниевой платы так, чтобы минимизировать длину проводов, необходимых для осуществления нужных связей.

…это должно ограничивать возможности изменений. Вспомним уже упоминавшиеся рассуждения о памяти: согласно одной из гипотез, связи нейронов так разреженны, поскольку связанность «всех со всеми» стала бы пустой тратой пространства и других ресурсов. Предполагаю, что такая разреженность связей ограничивает возможности нейронов накапливать новые ассоциации, а рекомбинация связей обновляет этот потенциал.

Ни один такой ребенок так и не научился говорить. Данный критический период относится лишь к первому языку. Второй язык тоже лучше изучать еще до наступления половой зрелости, но для взрослого человека в его освоении нет ничего невозможного.

…жизнь Джени совершила трагический поворот. Jones, 1995.

…никогда не научится правильно строить фразу. Rymer, 1994.

Антонелла Антонини и Майкл Страйкер. Antonini, Stryker, 1993, 1996. Они изучали аксоны, идущие к зрительной зоне V1 от ЛКТ – части мозга, описанной выше.

…если монокулярную депривацию оборвать на ранней, а не на поздней стадии. Впрочем, эти результаты не до конца объясняют существование критического периода для развития зрения. Бинокулярная депривация приводит к формированию аномальной зрительной системы, но аксоны ЛКТ, соответствующие обоим глазам, остаются при этом нормальными, они могут быть даже больше нормы. Возможно, при этом затрагиваются какие-то иные типы связей, но Антонини со Страйкером не сумели этого увидеть.

…Гринаф и его коллеги. Greenough, Black, Wallace, 1987.

…провел в 1897 году американский психолог Джордж Стрэтт он. Stratton, 1897a, 1897b.

…не позволяют при этом видеть свою указывающую руку. Bock, Kommerell, 1986.

…смещение в направлении, согласующемся с «кривобоким» поведением. Knudsen, Knudsen, 1990.

Принцип Кеннарда обобщает эти наблюдения… Schneider, 1979.

…исключения из этого правила хорошо известны. К примеру, если повреждение мозга случается на ранней стадии развития (всего через несколько дней после рождения ребенка), его последствия могут позже проявиться еще острее (Kolb, Gibb, 2007). Более строгая и осторожная формулировка: чем раньше происходит повреждение мозга, тем обширнее его реорганизация. Такая реорганизация может успешно восстановить затронутую функцию, а может и не восстановить.

…новые нейронные ветви могут расти и у взрослых. Yamah achi et al., 2009.

…все предыдущие годы страдала стереослепотой…

В двух летнем возрасте Сьюзен Барри сделали операцию по коррекции косоглазия. Если бы операцию провели позже, совершенно неизвестно, насколько эффективными оказались бы все эти глазные упражнения во взрослые годы.

…разработано несколько методик лечения… Vetencourt et al., 2008; He et al., 2006; Sale et al., 2007.

…дальнейшие эксперименты вселяют некоторый оптимизм. Linkenhoker, Knudsen, 2002.

…мозговые травмы по-своему облегчают переподключение мозга… Carmichael, 2006.

…более тонкие разновидности переподключения… В экспериментах Кнудсена наблюдали переподключение при изменении самим мозгом карты нижнего холмика. Можно попытаться использовать такую же стратегию, изучая сенсорные и моторные области коры, где имеются, как правило, аналогичные карты. Многие другие области мозга организованы сложнее, к ним нельзя применить такие сравнительно простые карты, поэтому переподключение в них труднее обнаружить.

…в мозгу млекопитающих не возникает новых нейронов после рождения… Эту догму автор еще больше закрепил в: Rakic, 1985.

Элизабет Гулд. Gould et al., 1999.

…объявить «самым потрясающим» за всё десятилетие. Blakeslee, 2000.

…по способности к самовосстановлению лидирует печень… Taub, 2004.

Неокортекс, похоже, действительно следует максиме «У взрослых не появляются новые нейроны». Большинство экспериментальных подтверждений этой максимы получено благодаря опытам на обезьянах, но ученые (Bhardwaj et al., 2006) параллельно изучали и человеческий мозг.

…гиппокампе и обонятельной луковице. Kornack, Rakic, 1999, 2001. Появление новых нейронов в этих частях мозга у взрослых крыс продемонстрировал Джозеф Альтман (Joseph Altman) в 1960-е годы, но его пионерские исследования остались почти не замеченными в научном мире.

…гиппокамп – своего рода «ворота» памяти. Kempermann, 2002.

…чтобы лучше запоминать запахи. Lledo, Alonso, Grubb, 2006.

…появляется на свет со сросшимися пальцами… Flatt, 2005.

…примерно одно и то же число нейронов умерло и уцелело. Cowan et al., 1984.

Не расточительство ли это – создавать так много нейронов, а потом уничтожать их? Buss, Sun, Oppenheim, 2006.

…такие процессы, проходящие в зрелом мозге, я буду называть регенерацией. Нейробиологи, употребляя термин «регенерация», обычно имеют в виду отрастание аксонов после их повреждения, но это (как и сходные процессы изменения межнейронных связей) я называю переподключением. Я использую термин «регенерация» в значении, типичном для биологии, где он относится к созданию и исчезновению клеток.

…начиная с шестидесятых годов… Гросс (Gross, 2000) дает обзор таких сообщений и рассуждает о том, почему на них обращали мало внимания.

…содержатся какие-то зерна истины… Корнак и Ракис (Kornack, Rakic, 2001) обвиняли Гулд в том, что она ошибочно приняла за нейроны те клетки, которые в действительности нейронами не являются. Многие разновидности мозговых клеток не относятся к нейронам.

…более естественные условия жизни будут способствовать росту обучаемости и пластичности… Некоторые специалисты утверждают, что эксперименты Розенцвейга демонстрируют следствия депривации, а не обогащения среды. Хорошенькие клетушки с игрушками и товарищами негоже считать «обогащенной средой», поскольку они лишь облегчают депривацию, от которой страдает крыса и в «обогащенной», и в обычной лабораторной клетке. Просто вторая являет собой совсем уж «обедненную» среду по сравнению с естественной средой обитания крысы.

…повреждение неокортекса «привлекает» новорожденные нейроны, мигрирующие в зону повреждения… Carmichael, 2006.

 

Глава 8. Видеть – значит верить

…Розалинд Франклин, Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику… Уотсон и Крик использовали данные кристаллографа Розалинд Крик. Из-за своей безвременной кончины она на смогла разделить с ними Нобелевскую премию.

…не до конца осознал его важность. Левенгук сообщил о своих наблюдениях сперматозоидов в письме к президенту лондонского Королевского научного общества. Несколько смущенный темой послания, он подчеркивал, что образец получен естественным и законным путем, на собственном брачном ложе ученого. Он заклинал президента не предавать письмо огласке, если тот сочтет его оскорбительным (Ruestow, 1983).

…устройства Левенгука десятикратно улучшили этот показатель с помощью всего одной линзы, но очень мощной. Форд (Ford, 1985) излагает историю однолинзового микроскопа, заявляя, что Левенгук изготавливал лучшие в тогдашнем мире линзы, позволяя расплавленному стеклу застывать в форме небольших шариков. Рустоу (Ruestow, 1996) отмечает, что Левенгук делал линзы и более стандартным методом – попросту шлифуя стекло (как голландец и уверял в своих статьях).

…на нем все-таки видны очертания лишь отдельных нейронов. На рис. 26 показаны помеченные по методу Гольджи нейроны коры головного мозга (верхней височной извилины) взрослой макаки-резус. Область изображения – от белого вещества в нижней части до третьего слоя коры вверху, это расстояние примерно равно полутора миллиметрам.

…среди этих нитей затесалась одна темная… Наблюдательный читатель мог заметить, что на рис. 27 показаны макароны букатини, которые толще спагетти и имеют отверстие в центре. (Благодаря особой текстуре их очень приятно жевать, весьма рекомендую.) Если каждую макаронину букатини пометить своим цветом, можно будет проследить путь всех макаронных нитей, даже на немного размытой картинке. Ученые применили такой подход, с помощью методов генной инженерии заставив мышиные нейроны флуоресцировать различными цветами, выбираемыми случайным образом. Это явление Джефф Лихтман окрестил «мозговой радугой» (Livet, 2007; Lichtman, 2008). Однако число различимых нашим глазом оттенков ограничено, так что «мозговой радуги» будет, скорее всего, недостаточно для того, чтобы проследить за большим количеством тесно сплетенных и перепутанных нейритов. Может быть, положение удастся улучшить, сочетая метод «мозговой радуги» с методами получения более четких изображений – например, с помощью недавно созданных разновидностей световой микроскопии, преодолевающих дифракционный барьер (Hell, 2007). Применяя иной подход, Тони Задор (Tony Zador) предложил с помощью генной инженерии наделить каждый нейрон определенной цепочкой РНК или ДНК (тоже подбираемой случайным образом). Такая последовательность могла бы являться уникальной для каждого нейрона, поскольку число возможных цепочек в данном случае очень велико – куда больше количества различаемых нами оттенков. С помощью других молекулярных хитростей и геномных технологий можно попытаться найти такие цепочки для каждой пары связанных друг с другом нейронов. В итоге мы получим желанный коннектом. Мы пока не знаем, смогут ли эти направления исследований дать нам надежную альтернативу электронной микроскопии, стандартному методу поиска коннектомов. Я упоминаю о них лишь для того, чтобы показать: коннектомика сейчас переживает вдохновляющий период – то и дело появляются новые методы и подходы.

Пример эффективности окрашивания по методу Гольджи… Из раствора смеси бихромата калия и нитрата серебра выпадает осадок хромата серебра, по неизвестной причине содержащий небольшую долю нейронов.

А когда Гольджи посмотрел в свой микроскоп… Guillery, 2005. Гипотезу Кахаля назвали «нейронной доктриной», а гипотезу Гольджи – «теорией сетчатости».

…он объединяет две клетки в одну большую, как и представлял Гольджи. Слышали шутку: «Экономика – единственная область, где два человека могут получить одну Нобелевскую премию за противоположные взгляды»? Видимо, она датируется 1974 годом, когда премию разделили Гуннар Мюрдаль и Фридрих Хайек, немало потрясенные тем, что их чествуют одновременно, ведь их воззрения были диаметрально противоположны. Произнося речь на торжественном банкете, Хайек заметил, что Нобелевская премия по экономике – вещь немного опасная. Позже Мюрдаль даже написал статью, где призывал больше не присуждать Нобелевскую премию в этой сфере (Myrdal, 1977). Он заявлял, что экономика – «неточная» наука, так что премия по экономике, учрежденная в 1968 году, не похожа на премии в области «точных» наук, чей список привел Альфред Нобель в своем знаменитом завещании 1895 года. Из уст Мюрдаля это слышать забавно, ведь именно он когда-то ратовал за учреждение Нобелевской премии по экономике. Учитывая, что в 1906 году Нобелевскую премию присудили Гольджи и Кахалю, можем ли мы считать нейробиологию точной наукой? Возможно, на шкале «точности наук» следует поместить ее где-то между экономикой и физикой. Да, взгляды Гольджи и Кахаля были противоположны друг другу, однако, насколько мне известно, никто не призывал на этом основании отказаться от присуждения Нобелевской премии по физиологии и медицине. И потом, оба все-таки оказались правы, так что Нобелевский комитет поступил справедливо.

…новые методы окрашивания… В наши дни применяют аналогичные методы, основанные на применении других меток – крупных и тяжелых атомов (осмия, урана, свинца), они хорошо отражают электроны.

…дифракционного барьера. Недавно физики поняли, что дифракционный барьер можно преодолеть с помощью флуоресцентной микроскопии – метода, недоступного для Гольджи (Hell, 2007).

Так объект выглядел бы в оптическом микроскопе. Размытую версию снимка сделал Винфрид Денк, который воспроизвел действие объектива микроскопа с апертурой 1,4 при длине волны 500 нм.

Ее ширина – всего 2 нанометра… Точнее, 2 нанометра – это «краевой радиус кривизны», как гордо заявляют на своих сайтах некоторые производители алмазных ножей. В литературе встречается более скромный показатель – 4 нм (Matzelle., 2003).

Кейт Портер и Джозеф Блюм. Porter, Blum, 1953. Бехтель (Becht el, 2006) рассказывает об истории применения электронных микроскопов в биологии.

…ультрамикротом, вмонтированный в вакуумную камеру электронного микроскопа. Denk, Horstmann, 2004.

…«серийной сканирующей электронной микроскопией основного блока образца»… В более ранний период исследователи применяли трансмиссионную (просвечивающую) электронную микроскопию (ТЭМ) – в этих установках электроны направлялись сквозь срезы ткани. (По сути, это как рассматривание негативной фотопленки на просвет.) В сканирующей электронный микроскопии электроны отражаются от поверхности объекта, чье изображение мы хотим получить.

…имели толщину всего 25 нанометров… Это важный показатель: он устанавливает вертикальный предел разрешения для стопки трехмерных снимков. В двух горизонтальных измерениях у электронной микроскопии разрешение гораздо лучше (всего несколько нанометров или даже меньше). Вертикальное же разрешение куда грубее.

…в конце концов тот достиг показателя в 30 нанометров. Первоначальная конструкция Хэйворта, показанная на рис. 30, называлась не АЛУМ (автоматический ленточный ультрамикротом), а АТЛУМ (автоматический токарный ленточный ультрамикротом). Пластмассовый блок, содержащий в себе образец мозговой ткани, закрепляется на приводе-оси, как у токарного станка. Каждый поворот оси проталкивает блок мимо алмазного резака, и в результате «сбривается» тончайший верхний слой образца. Вначале Хэйворт считал, что такое вращательное движение позволит лучше контролировать толщину срезов. Но затем он вернулся к традиционному линейному движению обычного ультрамикротома: так режут мясо в автоматических установках индийского ресторана.

…для нее не требуется алмазный резак. Нотт (Knott et al., 2008) описывает метод «размалывания с помощью сфокусированного пучка ионов». Бок (Bock, 2011) рассказывает о модификации трансмиссионного (просвечивающего) электронного микроскопа, позволяющей получать изображения более широкой рабочей области, тем самым ускоряя сбор данных.

 

Глава 9. По следу

…мимо проносятся стенки аксона. Этот молекулярный автомобиль – белок из семейства кинезинов. «Шоссе», по которому он едет, похоже на трубку и называется микротубулой.

Он способен детектировать до миллиарда столкновений частиц в секунду. CMS Collaboration, 2008.

Тогда еще не придумали термин «коннектом»… Когда в 2007 году Бреннер читал вступительную лекцию для моих студентов, которым я преподаю коннектомику, он выразил неудовольствие термином и посоветовал окрестить эту область нейрономией, пошутив, что «нейрономия по отношению к нейрологии – то же самое, что астрономия по сравнению с астрологией».

…немецко-американского биолога Рихарда Гольдшмидта… White et al., 1986.

…срезы толщиной около 50 нм – как раз достаточно, чтобы с уверенностью проследить путь большинства нейронных ветвей. В идеальном случае толщина среза должна равняться величине объемного разрешения для двухмерных изображений, получаемых с помощью электронного микроскопа. Тогда у создаваемого из них трехмерного изображения будет одно и то же объемное разрешение. Но резать так тонко невозможно, так что в третьем измерении картинка неизбежно будет иметь худшее разрешение.

…ставили одно и то же обозначение на поперечном сечении данного нейрона, различимом на длинной череде последовательно сделанных снимков. Они делали надписи маркерами на прозрачной ацетатной пленке, помещаемой на фотопластинки. Иногда процесс усложнялся: ученые следили за маршрутом сразу двух нейритов, идущих из разных мест и сходящихся в определенной точке. Выяснив, что эти отростки являются частью одного и того же нейрона, они отлистывали снимки назад и меняли все буквы на одном нейрите, относя его к нужному нейрону.

…где описывались 302 нейрона червя… Точнее, 282 соматических нейрона. Кроме них у бедняги есть 20 фарингальных нейронов, образующих почти независимую нервную систему (Albertson, Thomson, 1976). Исправить ошибки, устранить несоответствия и заполнить пробелы позже удалось другим исследователям (результаты их трудов см. в: Chen, Hall, Chklovskii, 2006). Эта исправленная версия опубликована на сайте Wormatlas.org.

…уползание червя после касания его головки. Chalfie et al., 1985.

Джон Файэла и Кристен Харрис. Fiala, 2005.

…представлять части нейритов в трех измерениях… Более толстый объект на снимке – коротенький сегмент дендрита, из него торчат дендритные шипики. Более тонкие объекты – части аксонов.

…примерно миллион человеко-часов… Helmstaedter, Briggman, Denk, 2008.

Этот метод называется машинным обучением… Как помочь компьютеру учиться? Первым делом придумайте алгоритм выполнения задачи, но заложите в него побольше изменяемых параметров. Алгоритм может выполнять задачу по-разному – в зависимости от того, какие параметры вы зададите. После этого придумайте, как количественно оценивать разницу между успехами человека и компьютера в обработке базы данных, с примерами. Эта оценка зависит от изменяемых параметров нашей компьютерной программы. Ее называют функцией стоимости или объективной функцией обучения. Следует минимизировать стоимость с учетом изменяемых параметров. Чтобы это сделать, требуется третий – завершающий – этап создания программы: нужно отыскать оптимальные значения параметров. Часто это делается методом последовательных приближений. Программа сама находит то небольшое изменение параметров, которое снижает функцию стоимости. Процесс повторяется, пока не будет достигнуто минимально возможное значение.

Вирен Джейн и Шрини Турага. Jain, Seung, Turaga, 2010. с. 211 Бывалые хакеры… Kelly, 1994.

…о новом направлении исследований – усилении интеллекта… По замечанию Энгельбарта, честь создания этого термина принадлежит Уильяму Россу Эшби (William Ross Ashby), одному из пионеров кибернетики.

…становится возможным путем интернет-краудсорсинга привлекать к выполнению научных задач огромное количество людей по всему миру. Я не стал говорить, что люди тоже допускают ошибки, прослеживая маршруты нейритов, пускай и реже, чем их совершают компьютеры. В работе Helmstaedter, Briggman, Denk (2011) показано, как объединить усилия множества людей для увеличения точности: пример так называемой «мудрости толпы».

…стоимость расшифровки одной буквы в цепочке ДНК… Shendure et al., 2004.

 

Глава 10. Вырезание фрагментов

…освоить бескрайний мозговой лес… Вероятно, эту метафору впервые использовал Кахаль: он описывал мозг как «джунгли, в чьей непроходимой чаще заблудилось так много первопроходцев» (Ramón Cajal, 1989).

…она также играет роль в развитии болезни Хантингтона… Utter, Basso, 2008.

…имеет очень важное значение для функционирования мозга… Повинюсь: в этой книге я выступаю как отъявленный кортикальный шовинист. Для простоты картины я говорю о локализации умственно-психических функций в пределах кортикальных областей, но такой подход, вероятно, наивен. У каждой из зон мозга есть свои поклонники, которые могут отлично объяснить, почему их участок невероятно важен, даже если он меньше коры по размерам. Фанаты базальных ядер построили карты их связей с корой головного мозга и таламусом, чтобы понять, как эти зоны мозга взаимодействуют в ходе выполнения умственно-психических функций (Middleton, Strick, 2000).

…каждая полоска представляет один класс… Masland, 2001. На иллюстрации отражена классификация нейронов, применимая для сетчатки глаза обобщенного млекопитающего. Некоторые более крупные типы нейронов на ней не показаны. Я использовал термины «класс» и «тип» для разграничения двух таксономических уровней, но мое использование этих терминов никоим образом не является стандартным для нейронауки. Классифицируя флору и фауну, биологи пользуются официальными терминами «вид», «род», «семейство», «отряд» и т. п. Такую же схему не помешает применять и при классификации нейронов.

…могут различить в ней шесть слоев. Согласно общепринятой концепции, основная часть коры состоит из шести слоев и называется неокортексом или изокортексом. Приставка «нео-» дает отсылку к эволюционной теории, предполагающей, что шестислойная кора – самое новое образование в мозгу. Те, кто не верит в эту теорию, предпочитают использовать приставку «изо-», подчеркивающую, что все фрагменты шестислойной коры выглядят похоже. У других частей коры головного мозга число слоев иное (меньше или больше шести). В совокупности все эти части именуются аллокортексом. Яркий пример такой части – гиппокамп.

…в каждом участке мозга в пределах одного поля расположение и количество слоев одинаково… Распределение тел клеток по слоям именуют цитоархитектурой, «цито-» как раз и означает «клетка».

Оскар и Сесиль Фогт. Zilles, Amunts, 2010. Они помечали вещество под названием миелин, жирное соединение, укутывающее собой многие аксоны. В итоге они сумели разглядеть миелоархитектуру (а не цитоархитектуру, которую изучал Бродман).

…сэр Грэфтон Смит… Смит был интересным человеком, он занимался одновременно нейроанатомией и археологией, в частности изучал мозг египетских мумий с помощью рентгеновских лучей.

Персиваль Бейли и Герхардт фон Бонин. Они использовали двойной слепой метод в попытке разобраться, можно ли надежным образом разграничить кортикальные области, основываясь на цитоархитектуре. Результат оказался по большей части отрицательным (Bailey, von Bonin, 1951).

…в одной только коре головного мозга содержатся нейроны сотен типов. Stevens, 1998.

Нейробиологи продолжают вести споры об их возможной классификации. Nelson, Sugino, Hempel, 2006.

Через них проходит великое множество «проводов», соединяющих между собой нейроны… Следует пояснить мою идею. Возможно, имеет смысл рассматривать борозды коры как ее «суставы и сочленения». Нейроны по обеим сторонам борозды соединены между собой более длинными аксонами, чем нейроны, находящиеся в пределах одной извилины. Согласно принципу экономии проводов, противоположные стороны борозды должны соединяться как можно меньшим их количеством, и рассечение по борозде будет подобно разрезанию по суставам. Поэтому вполне оправданна практика МРТ-исследователей, мысленно привязывающих кортикальные области к тем или иным бороздам, поскольку они не могут увидеть распределение слоев, на которое опирался Бродман.

В отличие от птичьей тушки коннектомы можно рассекать более абстрактно… Если мы хотим сохранить сократовскую метафору, можно придумать классификацию, основанную на разрезах, которые осуществляются не в трехмерном, а в многомерном пространстве.

…на сто с лишним типов. White et al., 1986.

Сведем все нейроны одного типа в единый узел. Там же.

Связи имеют непосредственное отношение к функциям… Важно также определять нейронные типы по молекулярным критериям – например, по экспрессии определенного гена или генов (Nelson, Sugino и Hempel (2006). Отличный пример, связанный с сетчаткой глаза, приводят Ким и др. (2008). Такая молекулярная дефиниция полезна для контроля распределения и относительного содержания нейронных типов и для того, чтобы лучше понять, как эти нейронные типы возникают в ходе развития организма. Как я уже говорил, нейроны одного типа должны выполнять одни и те же функции, измерение их импульсов это демонстрирует. А следовательно, можно ожидать, что три этих определения нейронных типов (основанные на свойствах молекул, на схеме связей и на активности) в идеальном случае должны совпасть друг с другом. Эти три определения как бы параллельны трем значениям термина «нейрон», разграниченным Гольджи в его нобелевской лекции. Он подчеркнул, что нейрон должен являться эмбриологической, анатомической и функциональной единицей, а затем уж перешел к вопросам его сущности.

Слой 4 поля 17… Аксоны, достигающие слоя 4 поля 17, идут от нейронов латерального коленчатого тела, которое, в свою очередь, получает аксоны от сетчатки. Напомню, ЛКТ – часть таламуса, отвечающая (наряду с другими участками мозга) за зрение. Как правило, сенсорные нервные пути идут в неокортекс через аксоны таламуса, оканчивающиеся в слое 4. В тексте мы обращаем главное внимание на связи между полями, но различия в распределении и строении слоев служат и отражением межнейронных связей в одной и той же кортикальной области, поскольку существуют правила связывания, основанные на распределении слоев. Например, возбуждающие нейроны в слое 4 образуют синапсы с пирамидальными нейронами в слоях 2 и 3, а эти пирамидальные нейроны, в свою очередь, создают синапсы с пирамидальными нейронами в слое 5. Следовательно, когда меняется толщина и плотность слоев, схема связей тоже, вероятно, меняется.

…область 17 имеет более толстый слой 4… Более того, схема связей содержит больше информации, чем распределение слоев. Бродман и его коллеги спорили по поводу создававшихся ими карт коры именно из-за того, что различия в распределении и строении слоев трудноуловимы. Как мы уже видели, кортикальные слои вообще нелегко различить, не говоря уж об их изменениях и вариациях. По моим предсказаниям, различия в схемах связей окажутся куда более четкими.

…зональный коннектом или же коннектом, основанный на типах нейронов. Я уже дал определение аж трем типам коннектомов, вы еще не запутались? Ледеберг и Маккей (Lederberg, McCray, 2001) замечают, что термин «геном» также имеет не одно значение. Термин ввели в 1920 году, и тогда он относился ко всей совокупности хромосом в организме. Затем этим термином стали называть совокупность генов. А теперь геном – это все буквы ДНК-цепочки. Я предполагаю, что и общепринятое значение термина «коннектом» будет со временем меняться.

…хотя по духу своему она все-таки несколько отличается от нейронного коннекционизма… Catani, Efytche, 2005; Mesulam, 1998; Geschwind, 1965a, 1965b.

Олаф Спорнс и его коллеги… Sporns, Tononi, Kotter, 2005. Примерно в то же время П. Хагман (Patric Hagmann) независимо от них ввел этот термин в своей докторской диссертации.

…лезии, которые не затрагивают этот центр… Mohr, 1976.

…речевые навыки в мозгу не так сильно локализованы, как считалось прежде… Lieberman, 2002; Poeppel, Hickok, 2004; Rilling, 2008.

…некоторые ученые сегодня вообще не считают, что дугообразный пучок соединяет центры Брока и Вернике… Bernal, Altman, 2010.

…другие нервные пути, которые в действительности соединяют эти два центра. Friederici, 2009.

…подходящую замену модели Брока – Вернике. Hickok, Poeppel, 2007.

Ученые выявляют и те гены, которые управляют формированием кортикальных областей. Fukuchi-Shimogori, Grove, 2001.

 

Глава 11. Взлом кода

Для целого ряда мертвых языков такие попытки не привели к желаемому результату. Robinson, 2002.

Он не мог назвать имя нынешнего президента… Corkin, 2002.

…похоже, СВД играет важнейшую роль в накоплении новых воспоминаний, но не в хранении старых. Медики называют заболевание А. М. острой антероградной амнезией. Термин «антероградный» означает, что амнезия касается лишь событий после операции. Память больного о событиях до нее осталась практически в неприкосновенности, хотя А. М. хуже помнил то, что произошло незадолго до хирургического вмешательства, чем отдаленное прошлое. А значит, у него развилась и слабая форма ретроградной амнезии, причем с градацией по времени.

Дальнейшие эксперименты касались ее роли в процессах припоминания. Gelbard-Sagiv et al., 2008.

Возможно, эти связи позволяют группам нейронов из CA-3 формировать клеточные ансамбли. Идея принадлежит Дэвиду Мэрру, который первым стал теоретизировать насчет клеточных ансамблей в CA-3. Нейроны остальных частей гиппокампа создают синапсы с нейронами других зон мозга, а не со своими ближайшими соседями.

…у человека область CA-3 все-таки довольно большая, и мы пока не в состоянии отыскать ее коннектом. Более того, не до конца ясно, действительно ли воспоминания и соответствующие клеточные ансамбли ограничены лишь участком CA-3. Возможно, для новых воспоминаний это и так, если вначале они хранятся в гиппокампе, а затем передаются в неокортекс, как полагают некоторые теоретики. Однако такие клеточные ансамбли могут оказаться с самого начала распределены и по всему гиппокампу, и по всему неокортексу. Возможно, вначале в гиппокампе больше нейронов, но затем, по мере накопления воспоминаний, больше нейронов будет уже в неокортексе.

В этой памяти – и события автобиографического характера… и факты об окружающем мире… Речь идет о так называемых эпизодической и семантической памяти соответственно. Семантическая память у А. М. пострадала меньше эпизодической.

Трудно изучать декларативную память на подопытных животных… Может показаться, что в основе декларативной памяти обязательно лежит язык, поскольку термин как будто подразумевает вспоминание через «декларирование», произнесение с помощью слов. Однако некоторые ученые (Eichenbaum, 2000) настаивают, что термин все-таки следует применять и к животным, поскольку у них есть мнемонические способности, сопоставимые с теми, благодаря которым человек обладает декларативной памятью. К тому же эти способности реализуются благодаря аналогичным областям мозга. И потом, попугаи и некоторые другие представители фауны могли бы «декларировать» свои воспоминания путем произнесения слов или же с помощью других коммуникативных навыков и умений.

Поскольку они не вскармливают потомство молоком, их не относят к млекопитающим. Вам может показаться, что птиц от зверей отличает способность пернатых откладывать яйца, но некоторые виды млекопитающих (например, утконос) тоже это делают.

Самцы других видов поют еще и для того… Вообще-то не все птичьи звуки считаются пением. Менее сложные звуки именуются среди орнитологов «криками».

У Моцарта жил ручной скворец… West, King, 1990.

Затем он начинает «лепетать»… Doupe, Kuhl, 1999.

…ему все-таки удается воспроизвести песню отца. Если птенец зебровой амадины не слышит пение взрослого самца, он все-таки будет петь, когда вырастет, но «неправильно». Однако было показано (Fehér, 2009), что если таких «изолированных» птиц затем разводить на протяжении нескольких поколений, чтобы каждое следующее поколение училось у предыдущего, их пение постепенно будет становиться всё более нормальным. Вероятно, в организме птицы есть некая врожденная предрасположенность к определенным характеристикам песни – кроме тех, что постигаются на опыте.

…с помощью мышц, расположенных вокруг нижней гортани… Также в этом участвуют дыхательные мышцы: они регулируют скорость потока воздуха, идущего через нижнюю гортань.

…нижняя гортань птицы преобразует эти сигналы в звуки. Вероятно, будет слишком большим упрощением сказать, что зоны RA и nXII просто передают или усиливают сигналы. Более точное описание процесса вы найдете в специальной литературе по данному вопросу. Кроме того, вы можете поинтересоваться, подходящая ли это модель – прямой путь сигнала. Поскольку птица сама слышит собственную песню, возможно, следует добавить еще одну стадию передачи сигнала – от нижней гортани обратно в мозг, а значит, нервный путь будет представлять собой, по сути, замкнутую петлю. В таком случае каждую ноту песни можно рассматривать как стимул, побуждающий птицу пропеть следующую ноту. Подобную петлю предлагали как модель последовательности нервных импульсов еще в XIX веке – например, американский психолог Уильям Джеймс. Но для птичьего пения, как выясняется, такая модель не очень подходит, ибо взрослый самец зебровой амадины может петь, даже если он глух.

…специальная комиссия нейробиологов постановила, что на самом деле… Jarvis et al., 2005.

…дорсальный желудочковый гребень… Karten, 1997.

Микаль Фи и его сотрудники… Hahnloser, Kozhevnikov, Fee, 2002.

Такого рода последовательное импульсообразование – именно то, чего мы ожидаем от стандартной синаптической цепочки. На самом деле синаптическая цепочка – это все-таки слишком простая модель для HVC. Чтобы мелодия песенки могла повторяться, последние нейроны в цепочке должны создавать синапсы с первыми нейронами, создавая замкнутую структуру, а не линейную цепь. К тому же понадобился бы какой-то дополнительный механизм, обрывающий пение после нескольких повторений мелодии.

…устроен ли он подобно синаптической цепочке. По оценкам Фи и его сотрудников, в процессе пения порождают нервные импульсы сто HVC-нейронов, дающих проекцию на RA (Fee, Kozhevnikov, Hahnloser, 2004). Эти исследователи предполагают, что HVC содержит синаптическую цепочку, каждое звено которой состоит из ста нейронов.

Чтобы лучше разобраться в этом, обратимся к схемам на рис. 47. В идеальном случае коннектом HVC попадет нам в руки, будучи распутан естественным образом, и никакой дополнительной работы по его распутыванию уже не понадобится. Но это если нейроны HVC расположены так, чтобы давать нервные импульсы в пространственно заданном порядке – к примеру, от начала цепочки к ее концу. Однако, судя по всему, на самом деле нейроны располагаются в цепочке вне зависимости от хронометража их импульсов (Fee, Kozhevnikov, Hahnloser, 2004).

…реальный коннектом HVC посложнее, и для его анализа уже потребуется компьютер. Если бы цепочка была идеальной и совершенной, мы бы могли распутывать ее вручную. Но если в ней есть какие-то «неудобные» связи (к примеру, синапсы, работающие в обратную сторону), нахождение такой цепочки становится куда труднее и требует помощи компьютера (Seung, 2009). Распутывание нейронов – пример применения так называемой теории графов, хорошо знакомой ученым-компьютерщикам.

…являли собой мигающие огоньки – светлея, когда возникает пик, и темнея, когда нейрон «умолкает». Эти окрашенные пятна флуоресцировали, когда на них попадал свет, как дорожный знак, который начинает светиться, оказываясь в луче фар проезжающей машины. Интенсивность этой флуоресценции зависит от концентрации кальция, на которую, в свою очередь, влияет нервный импульс.

Может статься, мы не сумеем расположить нейроны в таком порядке… Но даже такой результат оставит простор для сомнений. Возможно, нейроны действительно располагаются последовательно, просто наши алгоритмы распутывания их связей чересчур плохи. Ученым-компьютерщикам придется немало потрудиться, чтобы гарантировать достаточно надежные алгоритмы, позволяющие обнаружить последовательность в нейронных связях, если таковая вообще существует.

…всегда найдется множество связей, которые будут чересчур высовываться назад или вперед. Даже если обнаружатся какие-то «неподобающие» связи, нарушающие последовательность, мы все-таки сможем сказать, что этот коннектом – приближенная модель синаптической цепочки. Но если «неправильных» связей окажется слишком много, нам придется признать, что коннектом-цепочка – неподходящая модель.

…HVC-нейроны молодых самцов… Jun, Jin, 2007; Fiete et al., 2010.

Кевин Бригман. Briggman, Helmstaedter, Denk, 2011. Дэви Бок. Bock et al., 2011.

…прапрабабушка опознавала своего пса. А к чему привязать память, где у птицы хранится ее песенка? Отыскав полный коннектом птицы, мы могли бы обследовать нервные пути, идущие от каждого нейрона зоны HVC к голосовым мышцам. Как полагают ученые, эти пути преобразуют абстрактные импульсы HVC в определенные моторные команды, требуемые для того, чтобы издавать звуки. (Этой трансформации, судя по всему, птица тоже учится на практике.) Анализ связей в этих путях, возможно, позволит нам расшифровать, какие движения регулирует каждый нейрон HVC. Для успешного применения такого метода нужно выявить правила связи для нейронов, отвечающих за моторику, что аналогично отысканию правил «части и целого» для нейронов восприятия. Вообще говоря, для привязки воспоминаний требуется проследить весь нервный путь от центра мозга до сенсорной и двигательной периферии.

…правила связи… Такие правила связи можно формализовать математически, сведя их к вероятностным моделям возникновения графов, основанным на скрытых переменных, являющихся узлами графов (Seung, 2009).

…это событие тоже не слишком вероятно… Mooney, Prather, 2005.

 

Глава 12. Выстраивание сравнений

…идентичные близнецы колеблют нашу незыблемую убежденность в том, что каждый человек уникален. Еще больше смущает то, что существование таких близнецов как бы бросает вызов еще более всеобъемлющей аксиоме, согласно которой уникален каждый объект – будь то человек, животное или предмет. Именно эта аксиома лежит в основе прелестного утверждения, что не бывает двух одинаковых снежинок. Возможно, именно она лежит в основе анимистических верований первобытных людей, считавших, что всякий предмет наделен душой. Благодаря конвейерному производству мы пресытились материальными объектами, которые выглядят абсолютно неотличимыми друг от друга. В доиндустриальном мире такие случаи бывали куда реже, так что нашим первобытным предкам близнецы, должно быть, казались настоящим чудом. Но коннектомике такие рассуждения ни к чему, скорее уж они пригодятся нанотехнологам, обещающим научиться делать по-настоящему идентичные материальные объекты – вплоть до месторасположения отдельных атомов (см., например, Drexler, 1986).

…небольшие отклонения в ДНК-цепочке. Machin (2009) обсуждает как генетические, так и эпигенетические различия между однояйцевыми близнецами.

…понадобились бы два полных коннектома C. elegans… Как я уже говорил, ученым пришлось собирать такой коннектом по кусочкам, используя снимки тканей, взятых у разных червей. Поэтому опубликованный коннектом червя C. elegans представляет собой, по сути, мозаику, а не картину нервной системы отдельного червя. Выходит, у нас нет даже одного полного коннектома индивидуального червя, что уж говорить о двух.

Дэвид Холл и Ричард Рассел… Hall, Russell, 1991.

…методы, которыми выводят чистопородных собак и лошадей. Обычно лабораторных животных разводят именно методом инбридинга, чтобы добиться их почти полной генетической идентичности, благодаря чему должна повышаться воспроизводимость экспериментальных результатов. Хорошо известно, что близкородственное скрещивание может увеличивать вероятность появления двух дефектных копий гена, а так называемые рецессивные заболевания подчиняются правилу «два инсульта – и ты в могиле». Вот почему многие чистопородные псы мучаются генетическими заболеваниями, а европейские королевские династии на протяжении многих веков страдали гемофилией. Поскольку инбридинг, судя по всему, делает лабораторных животных «тупее», результаты опытов, проводимых на них, не всегда могут быть применимы к их диким собратьям.

…понадобятся сложные вычислительные методы… Основная вычислительная проблема геномики – нахождение соответствий между двумя цепочками ДНК. Проблему решают, применяя метод динамического программирования с быстрой аппроксимацией: этот подход разработали еще в сороковых-пятидесятых годах прошлого века для решения задач с одномерными или древовидными структурами. Решение аналогичной задачи сопоставления для двух коннектомов – трудная вычислительная проблема, которая будет посложнее сравнения геномов. Определение, одинаковы ли два коннектома, является проблемой графического изоморфизма, а для нее пока не создан полиномиальный алгоритм пошагового решения, позволяющий получить это решение за приемлемое время. Определение, является ли один коннектом частью другого, является проблемой субграфического изоморфизма, а она, как выражаются специалисты, NP-полная.

Серое и белое вещество различали еще в античности… Живая ткань мозга не серая и не белая, а розоватая. Серый и белый – цвета мертвой ткани мозга, хранящейся в особых условиях.

…белое вещество (располагающееся под поверхностью мозга) – это одни только «провода». Уже Кахаль наблюдал исключения из этого правила – так называемые «промежуточные нейроны» (Kostovic, Rakic, 1980).

…из основания пирамиды… Эта мысленная картина может немного запутать. Тело клетки напоминает наконечник стрелы, указывающий в направлении, противоположном информационному потоку, идущему по аксону.

Совокупная длина этих аксонов составляет примерно 150 тысяч километров… Эта грубая оценка сделана исходя из предположения, что плотность аксонов в белом веществе головного мозга повсюду такая же, как в мозолистом теле, т. е. около 380 тысяч аксонов на квадратный миллиметр (Aboi tiz et al., 1992). При этом предполагается, что общий объем белого вещества составляет около 400 кубических сантиметров (Rilling, Insel, 1999).

Миелинизация ускоряет распространение нервных импульсов… Миелин служит изолятором, препятствующим утечке электрического тока за пределы аксона. Такое изолирование резко увеличивает скорость распространения электрических сигналов. По миелинизированным аксонам они несутся в десять (или даже больше) раз быстрее, чем по аксонам, не покрытым миелином. Миелиновая оболочка – выросты глиальных клеток. Так называемые клетки Шванна миелинизируют аксоны периферической нервной системы (ПНС), а олигодендроциты миелинизируют аксоны ЦНС.

…аксон входит в какой-то участок серого вещества и разветвляется там… Если аксон не разветвляется в данной области, он, как правило, проходит сквозь нее, не образуя синапсов.

…наше собственное белое вещество пока остается почти совершенно неизученным. Раньше белое вещество мозга животных изучали, вводя вещество-метку. Такие вещества захватываются нейронами в точке введения и затем по аксонам разносятся в другие участки мозга. Получая картину распределения вещества-метки, можно выявить, какие участки мозга связаны с местом введения вещества. Данные таких экспериментов обобщили Феллеман и ван Эссен (Felleman, Van Essen, 1991) в попытке картографировать зональный коннектом для мозга обезьяны (см. рис. 51). В рамках проекта «Архитектура мозга», которым руководит Парта Митра (Partha Mitra), ученые регулярно применяют введение таких меток, стремясь построить полную карту дальних связей мозга грызуна. Однако метку следует вводить, пока мозг еще жив, поскольку ее перенос зависит от активных процессов в живых нейронах. Таким образом, введение метки – инвазивный метод, который применяют лишь при изучении мозга животных. Для человеческого мозга, изучаемого посмертно, этот метод работать не будет. (Некоторые липофильные красители распространяются и без таких процессов активного переноса, но эти вещества трудно использовать в качестве меток для мертвого мозга, поскольку их распространение идет слишком медленно.) Мое предложение – использовать для этих целей серийную оптическую микроскопию, которая не требует применения меток. Не будем окрашивать небольшой пучок аксонов: окрасим все миелинизированные аксоны белого вещества и сделаем их снимки под микроскопом. Такой метод, вероятно, можно будет применять для исследования умершего человеческого мозга. Более того, высокое пространственное разрешение оптической микроскопии позволит избежать двояких толкований результатов, которое зачастую возможно при дМРТ. Мой вариант служит примером «массированной реконструкции», при которой полная карта строится по одному-единственному мозгу, а не путем комбинации данных, полученных при изучении множества мозгов.

Диффузионная МРТ. Метод основан на измерении скорости диффузии молекул воды в мозгу. Эта скорость зависит, в частности, от направления движения молекул. Так, диффузия воды вдоль осей аксонов происходит быстрее, чем в перпендикулярном направлении.

…пересмотреть речевую модель Брока – Вернике. Fried erici, 2009.

…микроскопия и МРТ будут по-прежнему идти рука об руку, дополняя друг друга. Мы говорили в основном о сравнении коннектомов различных людей с помощью микроскопии. Такой подход дает «снимки» коннектомов в данный момент времени. Сопоставление этих снимков может кое-что поведать нам о том, как мозг меняется из-за определенных вмешательств в его работу. (Вспомните: эксперименты Розенцвейга с обогащением среды и опыты Антонини и Страйкера по монокулярной депривации зрительной зоны V1 предполагали сравнение разных животных или их групп.) Но ведь мы можем захотеть провести сравнение коннектомов отдельного существа в разное время. К сожалению, пока не придумано подходящего способа это сделать. Неинвазивные методы вроде МРТ позволяют отслеживать эволюцию коннектома во времени, но не обеспечивают должного разрешения, чтобы наблюдать отдельные нейроны. Таким разрешением обладают некоторые виды микроскопии, и существуют способы усовершенствовать процесс получения «моментальных снимков» с их помощью – обращая особое внимание на изменения в коннектоме. Уже сейчас есть методы окрашивания, делающие видимыми недавно укрепившиеся синапсы, как и методы окрашивания, делающими видимыми недавно возникшие нейроны. Важно разработать способы помечать недавно возникшие синапсы, как и те места, где синапсы недавно исчезли. С помощью таких изображений мы сможем не только количественно оценить баланс создания и исчезновения синапсов, но и пойти дальше, поскольку каждый возникающий и исчезающий синапс можно рассматривать в контексте всей нейронной сети. Мы будем точно знать, каким образом возникновение и исчезновение синапсов изменяет схему нейронных связей: это куда лучше грубой оценки общего числа синапсов. Возможно, всё это позволит нам обнаруживать даже самые тонкие изменения коннектома, а также выяснять, влияют ли на эти изменения на повседневный процесс обучения.

…посмертные мозги… Я уже говорил, что двухфотонный микроскоп можно применять для наблюдения нейронов живого мозга. Но для этого нужно вскрыть черепную коробку или хотя бы сделать ее кости тоньше. И потом, метод годится лишь для изучения нейронов, находящихся вблизи поверхности мозга, если только мы не вставляем в глубину мозга оптоволоконную трубку – процедура куда более инвазивная. Кроме того, всё это покажет нам лишь разреженные нейриты, т. е. отростки нейронов, уложенные не слишком плотно.

…нас ждут новые трудности. После смерти мозг может не так уж хорошо сохраниться. В нем будут наблюдаться аномалии, не связанные с изучаемым психическим заболеванием: к примеру, повреждения, вызванные инсультом. Кроме того, мозг меняется и под влиянием лекарств, если пациент принимал их в ходе лечения своей психической болезни.

Аномальные гены, отвечающие за аутизм и шизофрению, исследователи встраивают в геном животных… Nestler, Hyman, 2010.

…вирус обезьяньего иммунодефицита… Согласно одной из теорий, ВИЧ возник в результате мутации вируса обезьяньего иммунодефицита и его переноса с обезьян на человека.

…БА сопровождается аномально высоким ростом содержания бляшек и тромбов в мозгу… Oddo et al., 2003.

«…исследовать биологические явления в реальном времени, беспристрастно и без теоретизирования». Lander, 2011.

…возникают благодаря озарению или проблеску вдохновения. А иногда гипотеза возникает благодаря тому, что под рукой оказываются те или иные приборы для измерений. Так, Гальтон предполагал, что ум зависит от размеров головы, в основном из-за того, что мог измерить ее размер, а не из-за того, что это была такая уж блестящая гипотеза.

 

Глава 13. Внесение изменений

…разработал первые препараты для борьбы с сифилисом, облегчив страдания миллионов. Bosch, Rosich, 2008.

…возможно, на такое название его как раз и вдохновила популярная опера Вебера. Strebhardt, Ullrich, 2008.

…последнее средство, когда все иные методы лечения оказываются неэффективными. В работе Машура, Уолкера и Мартузы (Mashour, Walker, Martuza, 2005) рассматривается современная практика психохирургии и история фронтальной лоботомии – процедуры, за разработку которой португальский врач Эгас Мониз получил в 1949 году Нобелевскую премию. Лоботомия ослабляла симптомы психоза, однако делала пациента, подвергшегося такой операции, умственно-психическим инвалидом. Вскоре стало очевидно, что побочные последствия такого вмешательства перевешивают пользу от него. Из-за того что хирурги частенько злоупотребляли подобными операциями, многие полагают, что премия, присужденная Монизу, только позорит Нобелевский комитет. Однако некоторые историки науки заявляют, что применение психохирургии было вполне оправданно до изобретения антипсихотических препаратов, когда единственной альтернативой операции являлось помещение пациента в клинику для душевнобольных. Своей дурной славой эта процедура во многом обязана американскому эскулапу Уолтеру Фримену, который разработал ее модификацию под названием «трансорбитальная лейкотомия». В ходе этой варварской операции, прозванной «лоботомией пестиком», с помощью специального молоточка, напоминающего пестик для колки льда, заостренный инструмент втыкали, минуя глаз, прямо в глазную впадину, чтобы он достал до мозга. Двигая концом инструмента вверх-вниз, разрушали ткани лобной доли. Усовершенствование, придуманное Фрименом, настолько ускорило и облегчило осуществление этой операции, что ее теперь могли проводить и те, кто не являлся хирургом и вообще медиком.

…определенные психические расстройства вызывает избыт ок или недостаток нейротрансмиттера… Schildkraut, 1965.

Нейробиологи давно изучают воздействие флуоксетина на Четыре Процесса… Так, в 2005 году обнаружили увеличение плотности дендритных шипиков – признак возникновения новых нейронов (Hajszan, MacLusky, Leranth, 2005); в 2008 году была продемонстрирована интенсификация роста дендритов новорожденных нейронов (Wang, (2008). Сахей и Хен (Sahay, Hen, 2008) дают обзор многочисленных публикаций о возникновении новых нейронов в гиппокампе и о том, какую роль этот процесс играет при депрессии.

…избирательным образом воздействовать на коннектомы… Другие методы лечения болезней мозга подразумевают манипуляцию нейронной активностью. Так, при электросудорожной терапии (ЭСТ) электрические разряды, подаваемые в череп с помощью электродов, вызывают у пациента эпилептические припадки. ЭСТ трудно отнести к «волшебным пулям», поскольку эти конвульсии неизбирательно распространяются по мозгу, однако по какой-то непонятной причине ЭСТ может ослаблять проявление симптомов депрессии и ряда других психических расстройств. Более избирательную электрическую стимуляцию можно осуществлять с применением электродов, хирургическим путем имплантированных непосредственно в мозг. Так, симптомы болезни Паркинсона можно облегчить, стимулируя таким способом определенные участки базальных ядер. Некоторые ученые разрабатывают еще более точные методы лечения, основанные на оптогенетике – оптической активации нейронов определенного типа, которые специально изменили путем генной модификации, чтобы они стали чувствительны к свету. Подобно искусственному изменению уровня содержания нейротрансмиттера, такая манипуляция нейронной активностью кажется чем-то весьма далеким от рукотворных процессов, способствующих изменениям коннектома, однако на самом деле это не так. К примеру, припадки, вызванные ЭСТ, могут изменять коннектом благодаря хеббовской пластичности, и не исключено, что именно такие изменения служат причиной лечебного действия ЭСТ (и ее побочных эффектов – скажем, амнезии).

…прием медикаментов должен сочетаться с определенным режимом… Интуитивно понятно, что сочетание лекарств с «терапевтическими беседами», скорее всего, окажется эффективнее, чем применение лишь одного из этих методов. Доказательства, подтверждающие перспективность такого метода лечения депрессии, приводятся в работе: Keller et al., 2000.

При инсульте большинство нейронов остаются живыми: дегенерация и гибель поврежденных нейронов происходят позже. Lipton, 1999.

…метод генетической терапии болезни Паркинсона… Yamad a, Mizuno, Mochizuki, 2005; Mochizuki, 2009.

Гибель нейрона – последняя стадия его дегенерации… По данным некоторых исследователей, при многих болезнях нейроны гибнут «задом наперед». Иными словами, дегенерация сначала затрагивает синапсы и концы аксонов, а потом распространяется по аксону к телу клетки. Отмирание аксона может, в свою очередь, спровоцировать нейрон на инициирование механизмов саморазрушения – природных механизмов запрограммированной гибели клетки (Coleman 2005; Conforti, Adalbert, Coleman et al., 2007.)

…связи между нейронами разрушаются задолго до гибелинейронов. Selkoe, 2002.

…еще до первого приступа настоящего психоза. Baum, Walker, 1995.

Другие виды животных, скажем, ящерицы, способны к регенерации… Lledo, Alonso, Grubb, 2006.

…кончики пальцев у детей регенерируют подобно хвосту ящерицы… Illingworth, 1974.

Травма активизирует процессы регенерации в зрелом мозгу… Carmichael, 2006.

Инсульт активизирует возникновение новых нейробластов, причем они могут направляться от луковицы к поврежденному участку мозга. Zhang, Zhang, Chopp, 2005.

…некоторые из этих нейронов выживали в мозгу пациента… на протяжении более чем десяти лет… Mendez et al., 2008.

…действительно ли трансплантация так уж облегчает симптомы болезни. Olanow et al., 2003.

…искусственного создания допаминовых нейронов из клеток кожи пациентов, страдающих болезнью Паркинсона. Soldner et al., 2009.

…большинство новых нейронов умирает – независимо от того, появились ли они естественным путем или же пересажены путем трансплантации. Zhang, Zhang, Chopp, 2005; Buss, 2006; Lledo, 2006.

…новых нейронов, введенных в результате трансплантации… Brundin, 2000.

…сходные молекулы, увеличивающие пластичность. Murphy и Corbett, 2009.

Однако после травм, судя по всему, нейроны отращивают новые аксональные ветви с большей легкостью. Carmichael, 2006.

…естественные молекулярные процессы… Carmichael, 2006. Изменение синаптического веса также может играть роль при послеинсультной реабилитации – «демаскируя» бездействовавшие нервные пути благодаря усилению их синапсов. Такая демаскировка происходит и иным способом – вероятно, тоже относящимся к категории ИСВ. Речь идет об изменении порога, необходимого для генерации нервного импульса. (В модели неравноценного голосования этот порог определяет границу между количеством голосов «за» и «против», подаваемых пресинаптическими «советниками». По итогам голосования нейрон «принимает решение», давать ли нервный импульс.) Понижение этого порога может демаскировать нервные пути, делая нейроны более возбудимыми, а значит, менее разборчивыми касательно того, в какой момент давать импульс. Это бывает особенно важным для процесса восстановления после инсульта, ибо отмирание нейронов сокращает количество «советников» уцелевших нейронов. В результате они могут получать меньше голосов «за» и не дадут импульс, пока не снизится порог пикообразования.

…хотя кофеин способен помочь им не уснуть, он оказывает мало влияния на память и способность к обучению. Nehlig, 2010.

…когда они временно лишены сигарет. Newhouse, Potter, Singh, 2004.

…девять из десяти лекарств-кандидатов отсеиваются… Kola, Landis, 2004.

В среднем общие затраты для одного лекарства – от ста миллионов до миллиарда долларов. Morgan et al., 2011. Эти оценки неточны, поскольку подобная финансовая информация обычно не разглашается. Кроме того, фармацевтические корпорации заинтересованы в завышении расходов, тем самым отвечая на упреки в чересчур высокой цене на лекарства.

К концу 1950-х хлорпромазин уже применялся во множестве психиатрических лечебниц по всему миру. Историю антипсихотических препаратов, полную счастливых случайностей, см. в: Shen, 1999. Лекарства первого поколения, «типичные», создавались путем варьирования молекулярной структуры хлорпромазина. Лекарства второго поколения, «атипичные», имеют более разнообразную структуру.

Первые антидепрессанты, ипрониазид и имипрамин… Lopez-Munoz, Alamo, 2009. Ипрониазид стал первым из ингибиторов моноаминоксидазы, а имипрамин подтолкнул ученых к созданию многих трициклических антидепрессантов.

…в 1950-е годы – в этот золотой век фармацевтики. Начиная с 1950-х годов единственным успехом подобного рода остается флуоксетин, который открыли скорее рациональными методами, нежели благодаря счастливому стечению обстоятельств. Исследуя первые антидепрессанты, ученые разработали теорию, согласно которой депрессия как-то связана с теми зонами мозга, где вырабатывается нейротрансмиттер серотонин. В начале 1970-х компания Eli Lilly занималась поиском молекул, которые воздействовали бы на эти системы производства серотонина, однако не оказывали бы побочного воздействия, как трициклические антидепрессанты (например, имипрамин). Результатом поисков и стал флуоксетин, в конце концов одобренный американскими властями в 1987 году. См.: Lopez-Munoz, Alamo, 2009.

…для заболеваний центральной нервной системы доля отвергаемых препаратов еще выше. Kola, Landis, 2004.

…между первой и последней стадиями разработки новых лекарств происходит что-то не то. Markou, 2008.

…создания «очеловеченных» моделей на основе лабораторных мышей… Legrand et al., 2009.

…определенные формы поведения животных, аналогичные проявлению симптома того или иного психического расстройства человека. Nestler, Hyman, 2010.

 

Глава 14. Морозить или мариновать?

…новой области математики – теории вероятностей. То, что Паскаль стоял у истоков теории вероятностей, явствует из его переписки с другим выдающимся математиком – Пьером де Ферма. См.: Devlin, 2010.

После ярчайшего религиозного видения… Видение имело место вечером 23 ноября 1654 года и продолжалось два часа. Позже его назвали «паскалевской пламенной ночью». Мы знаем о нем лишь благодаря тому, что Паскаль записал это событие на листке, который позже зашил в свою куртку. После смерти ученого листок нашла экономка. См.: O’Connell, 1997.

В этой организации состоит около тысячи живых людей… Сайт «Алькора» (по состоянию на 31 июля 2011 года) сообщает, что у компании 955 живых клиентов и 106 криозаконсервированных «пациентов».

Даже если вы хотите жить вечно… Некоторые из моих друзей уверяют, что не хотели бы жить вечно. Такую позицию разделяют и отдельные философы – скажем, Чарлз Хартшорн (1897–2000). По-моему, в этом есть своего рода ирония судьбы. Я несколько раз видел Хартшорна, заходившего к моему отцу на работу, в Техасский университет, и философ казался мне практически бессмертным: он раскатывал на велосипеде, когда ему было далеко за восемьдесят. Умер он в сто три года. Но я согласен с Камю: больший философский интерес представляет самоубийство, ведь бессмертие – вещь пока нереализуемая.

…ныне эту чудесную историю считают легендой. Peck, 1998.

…придворный гадатель Сюй Фу несколько лет бороздил восточные моря… Howland, 1996.

…отправила останки бейсболиста на упокоение в жидкий азот. Историю о Тэде Уильямсе см. в: Johnson и Baldyga, 2009.

…где некогда случилось это «Солнечное чудо»… Этому чуду посвящено множество книг, например: Bertone, De Carli, 2008 (книга, написанная кардиналом и одобренная папой римским). Явившись перед детьми, Дева Мария открыла им три тайны. В Ватикане уверяют, что честно передали их миру, однако церковников обвиняют в том, что они утаили часть третьей – «Последней тайны Фатимы».

…80 % американцев верят в чудеса. Pew Forum on Religion, 2010.

За первые полтора дня после запуска айфона в широкую продажу 270 тысяч покупателей обратились в новую веру. Markoff, 2007.

Третий закон прогнозирования, сформулированный Артуром Кларком… Clarke (1973) излагает три закона. Первый: «Когда выдающийся, но престарелый ученый утверждает, будто что-то возможно, он почти наверняка прав. Когда он утверждает, будто что-то невозможно, он почти наверняка заблуждается». Второй: «Единственный способ выяснить границы возможного – осмелиться сделать шаг за их пределы, в невозможное».

Сонни Грэм получил в дар сердце Терри Коттла… Dudley, 2008.

…Черил выходила замуж пять раз… Wigmore, 2008.

Сперматозоиды выживают лучше всего… Woods et al., 2004.

…образование льда в клетке ведет к ее гибели. Mazur, Rall, Rigopoulos, 1981.

…все равно наносит ущерб клеткам… Я говорю «соленый» лишь для краткости и простоты. На самом деле в ходе этого процесса широко используются и другие растворы, не только солевые.

…применяют такую процедуру для яйцеклеток и эмбрионов. Woods et al., 2004.

…витрифицированная почка, пересаженная подопытному кролику… Fahy et al., 2009.

По оценке физика Петера Мазура, клетки могут продержаться в жидком азоте тысячи лет. Mazur, 1988.

Патологоанатомы называют такие мозги «респираторными»… Towbin, 1973.

…новые законы о констатации смерти. Laureys, 2005; Pres id ent’s Council on Bioethics, 2008.

«Если ствол мертв, то мертв и мозг, а если мертв мозг, то мертв и его обладатель». Laureys, 2005.

Получается порочный круг… President’s Council on Bioethics, 2008.

…кое-что из этих отвергнутых данных может иметь значение… А какая-то информация, содержащаяся в коннектоме, может не иметь значения для характеристик личности, поскольку это лишь случайный «шум», возникший в процессе развития мозга, при «подключении проводов».

…после кратковременной принудительной вентиляции легких пациент возвращается в нормальное состояние. Agarwal, Singh, Gupta, 2006.

…разные типы повреждений мозговой ткани… Rees, 1976; Kalimo et al., 1977.

…на снимках, полученных с помощью электронного микроскопа, они выглядят нетронутыми… Однако при этом у многих снизилось количество везикул с нейротрансмиттером. Вспомните, сила синапса зависит от его размера, а одна из характеристик этого размера – количество везикул. Следовательно, информацию о силе синапсов (ее можно считать частью коннектома) может оказаться непросто восстановить.

Эрик Дрекслер. Drexler, 1986.

Чарльз Олсон. Olson, 1988.

…«фиксируя» эти молекулы на месте. Формальдегид и глутаральдегид используют для связывания белковых молекул воедино. Еще более токсичный фиксатор, тетраоксид осмия, имеет двойное назначение: он и связывает вместе липидные молекулы, и окрашивает те мембраны, где они находятся.

…рис. 53, слева… Ткань помещена в эпоксидную смолу «Эпон» и кажется черной из-за окрашивания тетраоксидом осмия.

…Ленина забальзамировали… Современные методы бальзамирования берут начало еще в XVII–XVIII веках. Печально известный пример – чудаковатый лондонский дантист Мартин ван Батчелл: в 1775 году он забальзамировал свою умершую жену и выставил в окне того дома, где жил и принимал больных. См.: Dobson, 1953.

 

Глава 15. Сохранить как…

…«оцифровкой сознания»… В своем рассказе «Туннель под миром» (1955) Фредерик Пол пишет: «Каждой машиной управлял своего рода компьютер, электронная начинка которого воспроизводила память и сознание человеческого существа… Дело было лишь в том, чтобы… перенести навыки и привычки человека из клеток мозга в ячейки вакуумных трубок» (Pohl, 1956). А в научной литературе о таком методе, вероятно, впервые упомянул Мартин (Martin, 1971): «Предположим, успехи нейробиологии, биоинженерии и смежных дисциплин… в конце концов дадут методики, подходящие для считывания информации, хранящейся в криобиологически законсервированном мозгу, и ее передачи в компьютеры очередного поколения, способные во много раз превзойти операционную мощь нейронов нашего головного мозга».

…с христианским раем та же история: чтобы туда попасть, вам нужно сначала умереть. Согласно Библии, воскреснув, Иисус вознесся на небеса, не умирая вновь. Христиане тысячелетиями спорили, попала ли Дева Мария в рай, не умирая (Shoemaker, 2002). Следует различать взятие живым на небо, проводимое Богом, и вознесение Христа, осуществленное Иисусом собственными силами. В 1950 году папа Пий XII провозгласил догмат «Munificentissimus Deus» («О всеблагости Господа»), объявлявший, что Дева Мария, «завершив течение своей земной жизни, была вознесена в славу небесную телом и душою». Этот догмат признал важность идеи взятия живым на небо, однако не утихомирил споры, поскольку выражения в нем оказались несколько двусмысленными. Кроме того, христиане уже не первый век дискутируют о том, взяты ли на небо живыми ветхозаветные Илия и Енох.

…сценария «Мозги в чане»… Отличный пример – рассказ «Где это я?» (Dennett, 1978). Описание реальной попытки сохранить изолированный мозг морской свинки живым и работающим см. в: Llinas, Yarom, Sugimori, 1981.

…пирамидный тракт состоит из миллионов аксонов. Lassek, Rasmussen, 1940. Можно провести подсчет иначе, классифицировав нейроны нервной системы по их связям с окружающим миром. Сенсорные нейроны преобразуют внешние раздражители в нервные сигналы. К примеру, фоторецепторы сетчатки, когда на них попадает свет, генерируют электрические сигналы. Моторные нейроны образуют синапсы с мышцами и преобразуют нервные импульсы в движения. Остальные нейроны именуются промежуточными, так как они расположены между сенсорными и моторными. В нервной системе червя C. elegans сенсорные, моторные и промежуточные нейроны присутствуют в сравнимых количествах. Однако в нашей нервной системе сенсорные и моторные нейроны составляют исчезающе малую долю, и назвать нейрон промежуточным означает почти ничего о нем не сказать, ведь практически все нейроны – именно такие. Лишь весьма немногие наши нейроны общаются с внешним миром. Главным образом они коммуницируют друг с другом.

Алан Тьюринг. Turing, 1950.

…заключить, что испытуемая машина действительно обладает искусственным интеллектом. Первоначально Тьюринг проводил свой тест несколько иначе. Интересующимся рекомендую обратиться к его статье, она очень доступно напис ана.

…мог бы пройти самый настоящий тест Тьюринга… Натали Дэвис заявляет, что жена Мартина Герра отлично знала о самозванстве нового Герра, но влюбилась в него и поэтому стала его соучастницей (Davis, 1983, 1988). Однако историки не отрицают, что некоторые из сестер и друзей настоящего Герра действительно оказались одурачены и всерьез поверили, что самозванец как раз и есть исчезнувший Мартин Герр.

Чем меньше несовпадений, тем точнее имитация. Повторим, такие «модели самого себя» часто оказываются весьма неточными. Ученые продемонстрировали, что у большинства людей преувеличенное мнение о собственных способностях. Это называется «эффектом озера Вобегон». Вобегон – городок, придуманный американским юмористом Гаррисоном Киллором. Там «все женщины сильны, все мужчины красивы, а все дети – вундеркинды».

Он (Маркрам) стал одним из первых, кто начал систематически изучать… Маркрам показал также, что сила кортикального синапса может оказаться различной для разных нервных импульсов. Совместно с коллегами-теоретиками он разработал математические модели, которые описывают это явление, названное кратковременной синаптической пластичностью.

…заявил о создании цифровой имитации кошачьего мозга… Ananthanarayanan et al., 2009.

…нейроны одного типа, как правило, ведут себя сходным образом… К примеру, когда нейробиологи пропускают электрический ток через ингибирующий нейрон неокортекса, он может долгое время стабильно генерировать импульсы (Connors и Gutnick, 1990). Но если таким же образом стимулировать пирамидальный нейрон, после первых нескольких пиков он умолкает, словно утомившись.

А создав модели для всех нейронных типов… Синапсы тоже надо будет разбить на типы. Здесь я следую допущению, что в типах нейронов уже заложена вся информация о типах синапсов. Согласно принципу Дейла, нейрон выделяет один и тот же нейротрансмиттер (или набор нейротрансмиттеров) во всех синапсах, которые он создает с другими нейронами. Вот почему все исходящие синапсы пирамидального нейрона вырабатывают глутамат. Существует множество разновидностей молекул, служащих рецепторами глутамата, и конкретная разновидность, присутствующая в данном синапсе, зависит от типа, к которому относится нейрон-приемник. Иными словами, тип синапса определяется типами нейронов, которые он соединяет. Если же окажется, что это не так, тогда в коннектомы придется отдельно включать информацию о типах синапсов – в дополнение к сведениям о типах нейронов.

…имитации миллионов ионных каналов нейрона. Эту числовую оценку дают Michael Hausser и Arnd Roth. Многоячеечные модели описывают совокупное поведение больших групп каналов. Сходным образом социологи следят за процентом избирателей, поддерживающих того или иного кандидата. Каждая ячейка модели представляет какую-то часть мембраны нейрона, содержащую множество групп ионных каналов, причем каждая группа соответствует определенному типу каналов. Следовательно, если модель нейрона разбить на сотню ячеек и если существует десять типов ионных каналов, то в модели будет тысяча переменных, описывающих состояния ионных каналов. Количество переменных может показаться огромным, но оно все-таки значительно меньше общего числа ионных каналов в нейроне.

…многоячеечных модельных нейронов… Многоячеечные модели незаменимы, когда разные части нейрона функционируют независимо друг от друга. Например, дендриты отдельной звездчатой амакриновой клетки сетчатки обнаруживают многочисленные направления движения, воспринимаемого зрением, и посылают различные сигналы другим нейронам (Euler, Detwiler, Denk, 2002).

Маркрам следует в этом правилу Питерса… В общей виде это правило впервые изложили в работе: Braitenberg, Schüz (1998). Его назвали в честь Алана Питерса, который сформулировал частный случай этого правила.

…для C. elegans это сделать труднее, чем для мышиных или даже человеческих нейронов. Lockery, Goodman, 2009.

Уникальную информацию о данной личности по-прежнему будет нести ее коннектом. Будем реалистами: свойства каждого нейронного типа, вероятно, окажутся несколько различными у разных людей, даже если речь идет о нормальных людях. Эти вариации можно будет предсказывать по их геномам. И тогда нам придется заключить: «Вы – это ваш коннектом плюс модели нейронных типов плюс ваш геном». Но геном, повторяю, содержит гораздо меньше информации, чем коннектом. Так что максима «Вы – это ваш коннектом» останется неплохим приближением к истине.

…три сотни нейронов разбиты на сотню типов… White et al., 1986.

…диффузия молекул нейротрансмиттера… Порой электрические цепи ведут себя не так, как их модели, компоненты которых взаимодействуют лишь при условии, что они соединены друг с другом проводами. В реальной цепи могут наблюдаться и взаимодействия, осуществляемые «по воздуху», а не только с помощью проводов. К примеру, один провод может создавать вокруг себя электромагнитное поле, которое «почувствует» соседний провод. Это явление называется «паразитной емкостью» и аналогично внесинаптическим взаимодействиям в мозгу. Такие отклонения реальности от модели иногда очень трудно выявить и учесть.

…понадобится определить местоположение и скорость каждого из атомов мозга… Здесь я умалчиваю о том, какую роль играют законы квантовой физики в функционировании мозга. Тегмарк (Tegmark, 2000) кое-что пишет об этой проблеме.

Ральф Меркл. Merkle, 1992. Некоторые из самых первых работ по коннектомике принадлежат перу адептов крионики и оцифровки сознания, хотя сам термин «коннектом» появился позже. В своей обзорной работе «Широкомасштабный анализ нейронных структур» (1989) Ральф Меркл рассматривает возможности электронной микроскопии. Он знает, что карту коннектома червя C. elegans уже построили, и рассуждает о том, нельзя ли создать такую же карту и для человеческого мозга.