Мозговой штурм. Как ученые научились видеть мысли

Мозг человека содержит 86 млрд нейронов. Это лишь в несколько раз меньше, чем звезд в нашей галактике Млечный Путь. Но звезды обычно далеко отстоят друг от друга и слабо связаны. А все нейроны нашего мозга объединены в густо переплетенную сеть, насчитывающую свыше 100 трлн синапсов - контактов между двумя нейронами или между нейроном и другой клеткой: рецепторной (так называются клетки, передающие в мозг сигналы от органов чувств) или эффекторной (так называются клетки, передающие сигналы из мозга мышцам и железам).

Мечтой нейробиологов остается построить объемную карту человеческого мозга. К слову, астрономы тоже еще далеки от создания полной и точной объемной карты Млечного Пути (многие звезды еще не обнаружены, да и расстояние до многих обнаруженных звезд известно лишь весьма приблизительно). А для получения карты мозга нужно знать расположение не только всех нейронов, но и всех синапсов, коих у каждого нейрона от одной до десяти тысяч.

Тем не менее, подобная карта мозга уже появилась. Правда, не мозга человека, а мозга мыши. В мышином мозге 71 млн нейронов - в 1200 раз меньше, чем в человеческом. Впрочем, как известно, мышь - существо довольно сообразительное. И притом соображающее очень быстро (иначе ей не выжить). Поэтому понимание работы мозга мыши должно стать важным шагом к пониманию работы мозга человека.

Карта мозга мыши появилась благодаря монументальному исследованию, проведенному в Эдинбургском университете (Шотландия) и опубликованному 2 августа в ведущем отраслевом научном журнале Neuron. О сути открытия шотландских ученых подробно рассказал сайт американский сайт Singularity Hub.

Как разговаривают синапсы

Используя генетически модифицированных мышей, ученые буквально заставляли синапсы загораться под флуоресцентным светом по всему мозгу, будто звезды на ночном небе. И, подобно тому, как звезды отличаются одна от другой, ученые обнаружили, что и синапсы очень разнообразны. Однако в их активности наблюдаются паттерны (видимые структуры), которые могут быть ответственны за работу памяти и мышления. "В человеческом мозгу больше синапсов, чем звезд в галактике. Мозг - самый сложный объект, известный нам, и понимание его соединений на таком уровне будет важным шагом вперед в раскрытии его загадок", - говорит ведущий автор исследования доктор Сет Грант.

Полученные учеными подробные карты показали фундаментальный закон активности мозга. С помощью машинного обучения команда ученых разделила примерно 1 млрд синапсов по всему мозгу мыши на 37 типов. Когда наборы нейронов получают электрическую информацию, например, выбирая между различными решениями проблемы, уникальные типы синапсов, разбросанные среди разных нейронов, единодушно искрятся активностью. Таким образом, выяснилось, что синапсы бывают разных типов - и каждый тип может контролировать мысль, решение или воспоминание.

Неудивительно, что нейробиологи отреагировали на работу весьма положительно. "Вау", - прокомментировал Бен Сандерс из Университета Миннесоты. "Это удивительная статья, каталогизирующая разнообразие и распределение типов синапсов по всему мозгу мыши, - заявил нейрогенетик Кевин Митчелл из Тринити Колледжа (Дублин, Ирландия). - В исследовании подчеркивается, что синапсы - это ключевые вычислительные элементы нервной системы. Мы думаем об электрической сигнализации в нейронах как опосредующей большую часть информации, но синапсы выполняют вычисления на ней, и они делают это биохимически".

Синаптом - основа коннектома

Интерес ученых к созданию синаптома - цельного каталога синапсов в мозге - появился в рамках гораздо более крупного проекта - коннектома. Если коротко, коннектом - это все нейронные соединения внутри вас. Себастьян Сеунг, написавший о коннектоме целую книгу, говорит, что это - биологический базис того, кто вы есть: ваших воспоминаний, личности, ваших мыслей и рассуждений. Согласно этой точке зрения, если вам удастся записать свой коннектом, то однажды ученые смогут вас восстановить при помощи эмуляции целого мозга.

И все же коннектом описывает только то, как нейроны функционально разговаривают друг с другом. А где в мозге это закодировано физически?

Здесь в игру вступают синапсы. Нейробиологам давно известно, что синапсы передают информацию между нейронами, используя химические вещества и электричество. Были также намеки на то, что синапсы сильно разнятся в том, какие белки они содержат, но это разнообразие традиционно игнорировали. Большинство ученых считали, что обработка информации происходит в нейронном теле - луковичной части нейрона, из которой выходят отростки (аксоны) к другим нейронам и прочим клеткам.

До сих пор не было никакого способа взглянуть на морфологию и функцию синапсов по всему мозгу, объясняют авторы исследования. Обычно внимание фокусировалось на сопоставлении этих важных точек коннектома в небольших областях. Но теперь открылись совершенно новые перспективы. "Карту синаптома можно использовать для того, чтобы понять, связано ли пространственное распределение синапсов с архитектурой коннектома", считают ученые. И если да, то будущие эмуляторы мозга обретут, наконец, точку опоры.

Слепки мыслительных процессов

Чтобы построить карту синаптома мыши, авторы использовали генетически модифицированных мышей, у которых синапсы светились разными цветами. Каждый синапс плотно укомплектован разными белками, ученые добавили к ним светящиеся белки, которые выступали в роли фонариков, подсвечивающих каждый синапс в мозгу.

Короче, сначала ученые изменили биологию мыши, заставив ее синапсы светиться под флуоресцентным светом. Затем они кропотливо вели съемку синапсов в разных областях мозга и собрали все снимки вместе.

Полученное изображение выглядит для неопытного глаза, как исполненная звездами карта неба, заснятая космическим телескопом. Категоризация каждого синапса выходит за рамки способностей (и времени) любого человека, поэтому ученые использовали новые методы классификации при помощи машинного обучения и разработали алгоритм, который анализирует эти данные - более 10 терабайт - автоматически, не нуждаясь в надзоре и помощи человека.

По словам ученых, их поразили "выразительные паттерны" сияющих синапсов. Подобно отпечаткам пальцев, которые различаются по форме и размеру, различные области мозга содержат синапсы, которые различаются по составу, размеру и количеству белка. Что примечательно, области мозга, связанные с более высокими способностями рассуждения и мышления, содержали самую разнообразную популяцию синапсов, в то время как более древние области мозга, отвечающие за инстинкты, оказались по своим типам синапсов более однородными.

Чтобы увидеть, помогает ли разнообразие синапсов в обработке информации, ученые применили компьютерное моделирование, показывающее, как работают синапсы в гиппокампе. Эта область мозга, имеющая решающее значение для обучения и памяти, является одной из областей, которые демонстрируют поразительное разнообразие в типах синапсов.

Выяснилось, что каждый вид входного сигнала вызывает в синаптоме уникальный отклик - измените ввод, изменится отклик синаптома. Это свидетельствует о том, что мозг может одновременно обрабатывать множественную информацию, используя один и тот же участок мозга, потому что задействуются различные типы синапсов.

Ученые обнаружили аналогичные результаты, когда записывали электрические паттерны мозга мыши, пытающейся выбрать между тремя вариантами награды. Различные паттерны зажигались, когда выбор был правильным или неправильным. Синаптом рисовал яркую картину того, о чем думала мышь, делая выбор.

Каждое поведение активирует отдельный отклик синаптома. Каждый такой паттерн - это уникальный слепок мыслительного процесса.

Можно ли перепрограммировать мозг

Как и компьютерный код, синаптом, по всей видимости, лежит в основе вычислительного результата - решения или мысли. Что будет, если изменить этот код?

Психиатрические заболевания зачастую имеют генетические причины, влияющие на белки в синапсе. Используя мышей, которые демонстрировали симптомы, схожие с шизофренией или аутизмом, ученые составили карты их синаптомов - и обнаружили драматические изменения в том, как структурированы и связаны различные типы синапсов в мозге.

Например, в ответ на некоторые электрические сигналы паттерны в мозгу мутантных мышей проявлялись слабо, другие же становились аномально сильными. Похоже, психиатрические заболевания "перепрограммируют" синаптом, заключили авторы исследования. Более сильные или просто искаженные паттерны отклика на входную информацию могут быть причиной того, что пациенты с шизофренией испытывают заблуждения и галлюцинации.

Так действительно ли вы - это ваш синаптом? Возможно. Если ваша суть - это ваши воспоминания и мысли, то они, судя по всему, запечатлеваются в том, как активируются различные синапсы. Подобно тому, как по отпечатку пальца можно идентифицировать личность, синаптом можно было бы прочитать, чтобы расшифровать, о чем вы думаете или вспоминаете.

Однако, как признают авторы, это исследование - только начало. Нейробиологам еще предстоит проанализировать сложные связи между синапсами и вами. "Эта карта открывает множество новых направлений исследований, которые должны трансформировать наше понимание поведения и болезней мозга", - говорит доктор Грант.

Стоит отметить, что команда доктора Гранта научилась визуализировать паттерны, возникающие в мозгу мыши в ответ на входные сигналы, поступающие извне. Однако мысли человека, как известно, вызываются отнюдь не только внешней информацией. Они могут индуцироваться воспоминаниями или прежними мыслями - в качестве примера достаточно привести ученого, годами размышляющего над одной и той же проблемой. Поэтому загадка расшифровки синаптома гораздо сложнее выявления корреляций между паттернами в мозгу и внешними раздражителями.