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

• Название: Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть
• Автор: Себастьян Сеунг
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9963-2672-3

Что такое человек? Какую роль в формировании личности играют гены, а какую – процессы, происходящие в нашем мозге? Сегодня ученые считают, что личность и интеллект определяются коннектомом, совокупностью связей между нейронами. Описание коннектома человека – невероятно сложная задача, ее решение станет не менее важным этапом в развитии науки, чем расшифровка генома, недаром в 2009 году Национальный институт здоровья США запустил специальный проект – «Коннектом человека», в котором сегодня участвуют уже ученые многих стран.

В своей книге Себастьян Сеунг, известный американский ученый, профессор компьютерной нейробиологии Массачусетского технологического института, рассказывает о самых последних результатах, полученных на пути изучения коннектома человека, и о том, зачем нам это все нужно.

---

Мы уже видели, что мозг может не сохранить воспоминания, если не существуют требуемые связи. А значит, изменение веса связей само по себе имеет лишь ограниченную «емкость» для накопления новой информации, если связи между нейронами фиксированны и редки. Согласно теории нейронного дарвинизма, мозг обходит эту проблему, случайным образом создавая новые синапсы, чтобы поддерживать на должном уровне свой потенциал обучения (или даже повышать его), при этом уничтожая те синапсы, которые не приносят пользы. ИСВ и рекомбинация связей не являются независимыми процессами: они влияют друг на друга. Новые синапсы обеспечивают материал для хеббовского усиления, а уничтожение синапсов происходит в том числе и из-за нарастающего ослабления соответствующих связей. Не только ИСВ, но и рекомбинация связей увеличивает информационную емкость.

Еще одно преимущество рекомбинации связей – в том, что она может стабилизировать воспоминания. Чтобы яснее понять идею такой стабилизации, давайте рассуждать шире. Выше я подчеркивал, что воспоминания сохраняются благодаря синапсам. Теперь же следует упомянуть, что существуют доказательства в пользу существования другого мнемонического механизма – основанного на пикообразовании. Предположим, Дженнифер Энистон представлена у вас в мозгу не одним нейроном, а целой группой, организованной в клеточный ансамбль. Как только стимул – образ Дженни – заставляет эти нейроны дать нервный импульс, они начинают возбуждать друг друга посредством синапсов. Сигналообразование в клеточном ансамбле – самоподдерживающийся процесс, он будет идти и после того, как стимул исчезнет. Испанский ученый Рафаэль Лоренте де Но назвал это явление «реверберацией активности» – по аналогии с эхом в каньоне или соборе, которое продолжает слышаться, даже когда уже смолк породивший его звук. Такое самоподдерживающееся образование импульсов объясняет, почему вы способны запомнить только что увиденный объект, который уже не находится перед вашими глазами.

Судя по многим экспериментам, подобное самоподдерживающееся образование сигналов отвечает за кратковременную память – речь идет о периодах в несколько секунд. Однако существуют убедительные доказательства того, что долгосрочная память вообще не требует нейронной активности. Некоторых из утонувших в ледяной воде удавалось вернуть к жизни после того, как они десятки минут были, по сути, мертвы. Хотя их сердце уже не работало, ледяная вода предотвратила необратимые повреждения мозга. Наиболее везучим удалось при этом практически не потерять память, несмотря на то что при таком охлаждении нейроны их мозга были совершенно не активны. А значит, те воспоминания, которые сохранились после такого жестокого опыта, не могут зависеть от нейронной активности.

Как ни удивительно, нейрохирурги иногда намеренно охлаждают тело и мозг. В ходе смелой медицинской процедуры под названием «глубокий гипотермический циркуляторный арест» (ГГЦА) сердце останавливают, и тело пациента охлаждают ниже +18 °C, резко замедляя все жизненные процессы. ГГЦА настолько рискован, что его применяют, лишь когда жизнь больного находится в смертельной опасности. Однако процент успеха в случаях использования этой методики достаточно высок, причем память пациента, пережившего ГГЦА, часто остается неповрежденной, хотя в ходе процедуры его мозг был, по сути, отключен.

Успехи ГГЦА подкрепляют гипотезу «двойного следа» в памяти. Самоподдерживающееся пикообразование – след краткосрочной памяти, тогда как более постоянные, самоподдерживающиеся связи – след памяти долговременной. Чтобы хранить информацию на протяжении долгого периода времени, мозг трансформирует ее: теперь она выражается не активностью нейронов, а их связями. Чтобы вспомнить информацию, мозг снова переводит ее с языка связей на язык активности.

Концепция двойного следа объясняет, почему воспоминания могут храниться в долгосрочной памяти без помощи нейронной активности. Когда первоначально возникающая активность вызывает эффект хеббовской пластичности, информация записывается благодаря связям между нейронами в клеточном ансамбле или синаптической цепочке. В дальнейшем, когда информация вспоминается, эти нейроны активируются. Но в период между записью и припоминанием рисунок активности этих связей может оставаться непроявленным.

Как-то неизящно – иметь целых два способа хранения информации. Возможно, для мозга было бы эффективнее использовать лишь один? Полезная аналогия здесь – компьютеры, они ведь тоже применяются для хранения данных. У компьютера есть две системы хранения информации: запоминающее устройство с произвольным доступом (ЗУПД, оперативная память, random access memory, RAM) и жесткий диск. Тот или иной документ может долго храниться у вас на жестком диске. Когда вы открываете документ в текстовом редакторе, компьютер передает соответствующую информацию с жесткого диска в оперативную память. Когда вы редактируете документ, информация в RAM модифицируется. А когда вы его сохраняете, компьютер передает информацию из оперативной памяти обратно на жесткий диск.

Поскольку компьютеры созданы инженерами-людьми, мы знаем, почему у этих устройств две системы хранения данных. Дело в том, что и у жесткого диска, и у RAM есть свои преимущества. Жесткий диск обладает стабильностью: он может хранить информацию, даже когда отключено питание. Информация же в оперативной памяти легко теряется. Представьте, что в ходе редактирования текста отключилось электричество. Все электрические сигналы внутри компьютера затухают. Когда вы снова включите и загрузите компьютер, вам покажется, что ваш документ остался в целости и сохранности, ведь он лежал на жестком диске. Но если вы вглядитесь, то увидите, что сохранилась лишь прежняя версия текста. Ваша свежая правка, хранившаяся в оперативной памяти, исчезла.

Но если жесткий диск так надежен и стабилен, зачем же использовать еще и RAM? Дело в том, что RAM отличается высокой скоростью. Информацию в оперативной памяти можно модифицировать гораздо быстрее, чем информацию на жестком диске. Вот почему оправданно передавать документ в оперативную память для редактирования и затем отправлять его обратно на жесткий диск для надежного хранения. Часто бывает так: чем стабильнее вещь, тем ее труднее модифицировать.

Стивен Гроссберг, нейробиолог-теоретик, назвал эту взаимозависимость «дилеммой стабильность/пластичность». На нее обращал внимание еще Платон в своем диалоге «Теэтет». Он объяснял огрехи памяти чрезмерной жесткостью или мягкостью «воска на дощечке». Некоторые люди с трудом запоминают новое, поскольку воск у них слишком твердый, и отпечаток на нем оставить нелегко. Другие же испытывают трудности с хранением воспоминаний, поскольку отпечатки слишком легко стираются с их чересчур мягкого воска. Лишь когда воск не слишком тверд и не слишком мягок, он способен и хорошо принимать отпечатки, и долго хранить их.

Взаимозависимостью между стабильностью и пластичностью можно объяснить и то, почему мозг использует два хранилища для информации. Подобно данным в оперативной памяти, рисунок импульсов быстро меняется, вот почему они подходят для активного манипулирования информацией в ходе непосредственного восприятия и обдумывания. Но, поскольку эти узоры легко потревожить новыми впечатлениями и мыслями, они пригодны лишь для краткосрочного хранения сведений. Межнейронные связи, напротив, в этом смысле похожи на жесткий диск. Так как эти связи меняются медленнее, чем рисунок пиков, они меньше годятся для активного манипулирования информацией. Однако они достаточно пластичны для записи данных и достаточно стабильны для их длительного хранения. Гипотермия (охлаждение) гасит нейронную активность, подобно тому как отключение тока стирает оперативную память вашего компьютера. Межнейронные же связи остаются в неприкосновенности, так что долговременная память в результате не страдает. Но недавно приобретенная информация при этом теряется, поскольку она еще не успела перейти из формы активности в форму связей.

Способна ли взаимозависимость стабильности и пластичности также помочь нам понять, почему мозг иногда использует в качестве средства накопления воспоминаний рекомбинацию связей, а не только ИСВ? Благодаря хеббовской пластичности пикообразование в нейронах постоянно увеличивает силу синапсов. Следовательно, сила синапса не так уж постоянна, а значит, и воспоминания, сохраняемые путем изменения синаптического веса, тоже могут оказаться не такими уж стойкими. Вероятно, именно поэтому воспоминания о том, что вы ели вчера на обед, наверняка скоро потускнеют. В то же время само существование синапса может оказаться стабильнее, чем его сила. Воспоминание, сохраненное посредством ИСВ, можно стабилизировать с помощью рекомбинации связей. Скорее всего, так и происходит с информацией, которая не покидает нас всю жизнь (пример – ваше имя). Нестираемые воспоминания, видно, меньше зависят от необходимости поддерживать силу синапсов на постоянном уровне, но больше определяются необходимостью поддерживать само существование нужных синапсов. В качестве более стабильного, но менее пластичного мнемонического средства рекомбинация связей может удачно дополнять изменение синаптического веса.