Мозковий штурм. Як вчені навчилися бачити думки

Мозок людини містить 86 млрд нейронів. Це лише в кілька разів менше, ніж зірок у нашій галактиці Чумацький Шлях. Але зірки зазвичай далеко відстоять один від одного і слабко пов'язані. А всі нейрони нашого мозку об'єднані в густо переплетену мережу, яка налічує понад 100 трлн синапсів - контактів між двома нейронами або між нейроном і інший кліткою: рецепторної (так називаються клітини, що передають в мозок сигнали від органів чуття) або ефекторній (так називаються клітини, що передають сигнали з мозку м'язів і залоз).

Мрією нейробіологів залишається побудувати об'ємну карту людського мозку. До речі, астрономи теж ще далекі від створення повної і точної об'ємної карти Чумацького Шляху (багато зірок ще не виявлені, та й відстань до багатьох виявлених зірок відомо лише дуже приблизно). А для отримання карти мозку потрібно знати розташування усіх нейронів, але і всіх синапсів, яких у кожного нейрона від однієї до десяти тисяч.

Тим не менше, подібна карта мозку вже з'явилася. Правда, не мозку людини, а мозку миші. У мишачому мозку 71 млн нейронів - в 1200 разів менше, ніж у людському. Втім, як відомо, миша - істота досить сообразительное. І притому соображающее дуже швидко (інакше їй не вижити). Тому розуміння роботи мозку миші має стати важливим кроком до розуміння роботи мозку людини.

Карта мозку миші з'явилася завдяки монументального дослідженням, проведеним в Единбурзькому університеті (Шотландія) і опублікованому 2 серпня у провідному галузевому науковому журналі Neuron. Про суть відкриття шотландських учених детально розповів сайт американський сайт Singularity Hub.

Як розмовляють синапси

Використовуючи генетично модифікованих мишей, вчені буквально змушували синапси загорятися під флуоресцентним світлом по всьому мозку, ніби зірки на нічному небі. І, подібно до того, як зірки відрізняються одна від іншої, вчені виявили, що синапси і дуже різноманітні. Проте в їх активності спостерігаються патерни (видимі структури), які можуть бути відповідальні за роботу пам'яті і мислення. "В людському мозку більше синапсів, ніж зірок у галактиці. Мозок - найскладніший об'єкт, відомий нам, і розуміння його сполук на такому рівні буде важливим кроком вперед у розкритті його загадок", - говорить провідний автор дослідження доктор Сет Грант.

Отримані вченими докладні карти показали фундаментальний закон активності мозку. З допомогою машинного навчання команда вчених розділила приблизно 1 млрд синапсів по всьому мозку миші на 37 типів. Коли набори нейронів отримують електричну інформацію, наприклад, вибираючи між різними рішеннями, унікальні типи синапсів, розкидані серед різних нейронів, одностайно іскряться активністю. Таким чином, з'ясувалося, що синапси бувають різних типів - який і кожен тип може контролювати думку, рішення або спогад.

Не дивно, що нейробіологи відреагували на роботу вельми позитивно. "Вау", - прокоментував Бен Сандерс з Університету Міннесоти. "Це дивна стаття, каталогизирующая різноманітність і розподіл типів синапсів по всьому мозку миші, - заявив нейрогенетик Кевін Мітчелл з Трініті-Коледжі (Дублін, Ірландія). - У дослідженні підкреслюється, що синапси - це ключові обчислювальні елементи нервової системи. Ми думаємо про електричної сигналізації у нейронах як опосредующей більшу частину інформації, але синапси виконують обчислення на ній, і вони роблять це біохімічно".

Синаптом - основа коннектома

Інтерес вчених до створення синаптома - цілісного каталогу синапсів мозку - з'явився в рамках набагато більш великого проекту - коннектома. Якщо коротко, коннектом - це все нейронні з'єднання всередині вас. Себастьян Сеунг, написав про коннектоме цілу книжку, каже, що це - біологічний базис того, хто ви є: ваших спогадів, особистості, ваших думок і міркувань. Відповідно до цієї точки зору, якщо вам вдасться записати свій коннектом, то одного разу вчені зможуть відновити за допомогою емуляції цілого мозку.

І все ж коннектом описує тільки те, як нейрони функціонально розмовляють один з одним. А де в мозку це закодовано фізично?

Тут в гру вступають синапси. Нейробиологам давно відомо, що синапси передають інформацію між нейронами, використовуючи хімічні речовини і електрика. Були також натяки на те, що синапси сильно різняться в тому, які вони містять білки, але це розмаїття традиційно ігнорували. Більшість вчених вважали, що обробка інформації відбувається у нейронному теле - цибулинна частини нейрона, з якої виходять відростки (аксони) до інших нейронів та іншим клітинам.

Досі не було ніякого способу поглянути на морфологію та функцію синапсів по всьому мозку, пояснюють автори дослідження. Зазвичай увага фокусувалася на зіставленні цих важливих точок коннектома в невеликих областях. Але тепер відкрилися абсолютно нові перспективи. "Карту синаптома можна використовувати для того, щоб зрозуміти, чи пов'язано просторовий розподіл синапсів з архітектурою коннектома", вважають вчені. І якщо так, то майбутні емулятори мозку знайдуть, нарешті, точку опори.

Зліпки розумових процесів

Щоб побудувати карту синаптома миші, автори використовували генетично модифікованих мишей, у яких синапси світилися різними кольорами. Кожен синапс щільно укомплектований різними білками, вчені додали до них світяться білки, які виступали в ролі ліхтариків, які підсвічують кожен синапс в мозку.

Коротше, спочатку вчені змінили біологію миші, змусивши її синапси світитися під флуоресцентним світлом. Потім вони ретельно вели зйомку синапсів в різних областях мозку і зібрали всі знімки разом.

Отримане зображення виглядає для недосвідченого ока, як виконана зірками карта неба, знята космічним телескопом. Категоризація кожного синапсу виходить за рамки здібностей (і часу) будь-якої людини, тому вчені використовували нові методи класифікації за допомогою машинного навчання і розробили алгоритм, який аналізує ці дані - понад 10 терабайт - автоматично, не потребуючи нагляд і допомоги людини.

За словами вчених, їх вразили "виразні патерни" сяючих синапсів. Подібно відбитками пальців, які розрізняються за формою і розміром, різні області мозку містять синапси, які розрізняються за складом, розміром і кількістю білка. Що примітно, області мозку, пов'язані з більш високими здібностями міркування і мислення, містили найрізноманітнішу популяцію синапсів, в той час як більш давні області мозку, що відповідають за інстинкти, виявилися по своїх типів синапсів більш однорідними.

Щоб побачити, допомагає різноманітність синапсів в обробці інформації, вчені застосували комп'ютерне моделювання показує, як працюють синапси в гіпокампі. Ця область мозку, що має вирішальне значення для навчання і пам'яті, є однією з областей, які демонструють вражаючу різноманітність у типах синапсів.

З'ясувалося, що кожен вид вхідного сигналу викликає в синаптоме унікальний відгук - змініть enter, зміниться відгук синаптома. Це свідчить про те, що мозок може одночасно обробляти множинне інформацію, використовуючи один і той же ділянку мозку, тому що використовуються різні типи синапсів.

Вчені виявили аналогічні результати, коли записували електричні патерни мозку миші, яка намагається вибрати між трьома варіантами нагороди. Різні патерни запалювалися, коли вибір був правильним або неправильним. Синаптом малював яскраву картину того, про що думала миша, роблячи вибір.

Кожне поведінка активує окремий відгук синаптома. Кожен такий патерн - це унікальний зліпок розумового процесу.

Можна перепрограмувати мозок

Як і комп'ютерний код, синаптом, по всій видимості, лежить в основі обчислювального результату - рішення або думки. Що буде, якщо змінити цей код?

Психіатричні захворювання часто мають генетичні причини, що впливають на білки в синапсі. Використовуючи мишей, які демонстрували симптоми, схожі з шизофренією або аутизмом, вчені склали карти їх синаптомов - і виявили драматичні зміни в тому, як структуровані і пов'язані різні типи синапсів мозку.

Наприклад, у відповідь на деякі електричні сигнали патерни в мозку мутантних мишей проявлялися слабо, інші ж ставали аномально сильними. Схоже, психіатричні захворювання "перепрограмують" синаптом, уклали автори дослідження. Більш сильні або просто перекручені патерни відгуку на вхідну інформацію можуть бути причиною того, що пацієнти з шизофренією відчувають ілюзії і галюцинації.

Так дійсно ви - це ваш синаптом? Можливо. Якщо ваша суть - це ваші спогади і думки, то вони, судячи з усього, вкарбовуються в тому, як активуються різні синапси. Подібно до того, як по відбитку пальця можна ідентифікувати особу, синаптом можна було б прочитати, розшифрувати, про що ви думаєте чи згадуєте.

Однак, як визнають автори, це дослідження - тільки початок. Нейробиологам ще належить проаналізувати складні зв'язки між синапсами і вами. "Ця карта відкриває безліч нових напрямів досліджень, які повинні трансформувати наше розуміння поведінки і хвороб мозку", - говорить доктор Грант.

Варто відзначити, що команда доктора Гранта навчилася візуалізувати патерни, що виникають у мозку миші у відповідь на вхідні сигнали, що надходять ззовні. Однак думки людини, як відомо, викликаються аж ніяк не тільки зовнішньою інформацією. Вони можуть індукуватися спогадами або колишніми думками - як приклад достатньо привести вченого, роками розмірковує над однією і тією ж проблемою. Тому загадка розшифровки синаптома набагато складніше виявлення кореляцій між патернами в мозку і зовнішніми подразниками.