Мозг. Как он устроен и что с ним делать

В начале 2000-х годов Родриго Кирога исследовал особенности восприятия лиц в зрительной системе. Он сделал логичное предположение, что нервных клеток, отвечающих за восприятие образа кого-то хорошо знакомого (родителя, близкого родственника, друга), должно быть больше, чем нейронов, реагирующих на малоизвестного человека.

И он оказался совершенно прав. Так, у одного из своих пациентов, большого футбольного фаната, он обнаружил нейрон, избирательно реагировавший на лицо аргентинского игрока Диего Марадоны. Но возникал вопрос: нейрон реагировал именно на лицо футболиста или же на цвета формы аргентинской сборной?

Исследователи продемонстрировали пациенту огромное количество изображений футболиста (в одежде самых разных цветов) и обнаружили, что тот же нейрон всякий раз включался в работу.

Нужно было двигаться дальше и масштабировать результаты. Исследователи искали всем известный образ. В то время в США и многих других странах был весьма популярен сериал «Друзья», где одну из главных ролей играла Дженнифер Энистон. Кирога и коллеги предъявляли испытуемым семь совершенно разных изображений Дженнифер Энистон и обнаружили в медиальной височной доле мозга один и тот же нейрон, который реагировал на каждое из них. Его так и назвали – «нейрон Дженнифер Энистон».

Кирога нашел у своих испытуемых нейроны и других известных персон. И, конечно же, ему удалось обнаружить тот, что был предсказан Леттвином еще в 60-е годы, – «нейрон бабушки». Обрадованный Кирога связался с уже очень немолодым Леттвином и сообщил ему об обнаружении этого нейрона.

Но остался и еще один вопрос: откуда берутся в мозге «нейроны бабушки» и нейроны знаменитых людей? На самом деле ответ на него частично был получен уже давно. Еще в 1980-е годы Вячеслав Борисович Швырков, работая с кроликами и крысами, обнаружил так называемые молчащие нейроны, которые сидели и ждали своего звездного часа, словно на скамейке запасных.

Давайте представим, что человек начинает осваивать спортивную технику бега на лыжах. К нейронам в ассоциативных зонах притекает большое количество информации о движениях рук, ног, ощущениях давления лыжных палок на ладони и так далее. И тут молчащие нейроны начинают выдавать ответы, причем еще и попутно состязаясь между собой за право стать «нейроном бега на лыжах». Их, конечно, под этот процесс выделяется много. Побеждают самые сильные. И теперь они будут всякий раз включаться в работу, когда человек возьмет в руки лыжные палки.

Аналогичная ситуация происходит с нашими новыми знакомыми и друзьями. Под каждого из них выделяется свой нейрон.

В действительности говорить о единичном нейроне не совсем корректно. На самом деле речь идет о целой группе (порой о тысячах) нервных клеток, которые находятся на разных уровнях («этажах») нервной системы. В данном случае «нейрон бабушки» просто находится наверху (на последнем «этаже»).

Мы уже знаем, что есть нейроны первичных областей зрительной коры (там обрабатываются простые признаки – линии, точки, углы). Во вторичных областях зрительной коры нейроны обрабатывают цвет образа, его ориентацию в пространстве. Здесь могут собираться и более целостные образы предметов, например очков бабушки. А далее уже сам «нейрон бабушки» все анализирует и принимает решение – узнать бабушку или нет (обнять или проигнорировать). Если информации от клеток с нижних «этажей» поступает мало (видим только очки или прическу), то «нейрон бабушки» не включается в работу.

В 2015 году в авторитетном журнале Neuron Кирога опубликовал статью, доказывающую, что человеческий мозг реагирует на фотографию человека на фоне достопримечательности и бессознательно отыскивает связи между двумя объектами. Пациентам с вживленными в мозг электродами предъявляли фотографии с достопримечательностями и изображениями людей, чтобы выяснить, какие из нейронов отреагируют.

Давайте рассмотрим на примере. Сначала исследователи выявили, что есть нейрон, который реагирует только на актера Клинта Иствуда и не реагирует на других актеров и изображения достопримечательностей (например, Эйфелеву башню или голливудские холмы с надписью Hollywood). Затем испытуемым показали Клинта Иствуда на фоне надписи Hollywood, а потом вновь продемонстрировали изображения достопримечательностей, среди которых были и буквы с голливудских холмов. И в это время происходило невероятное! Нейрон выдавал на надпись Hollywood такую же активность, как и на просто портрет Клинта Иствуда. В мозге нервные клетки, связанные с данным нейроном, образовали ассоциацию между изображениями букв и актера.





Рис. 14. Иерархическое положение «нейрона бабушки»



И тут нужно отметить самое важное! Многие испытуемые даже не пытались припомнить специально, на какой картинке они видели актера (потому что этих картинок было много), но мозг сам пассивно выдавал ответ.

В ходе последних исследований выяснилось, что данный нейронный механизм кодирует значимые ассоциации в долговременную память. Иными словами, достаточно один раз столкнуться двум объектам в какой-то связке, как мозг сразу же строит ассоциации между ними.

Как вы понимаете, это важное знание подводит маркетологов к идее создания быстрых ассоциаций в сопутствующих рекламируемых продуктах. Достаточно одной демонстрации пары «базовый товар и аксессуар», чтобы сформировался нейрон, реагирующий на эту связку.

Этот же прием могут применять и политтехнологи, демонстрируя своего кандидата на всем известном фоне (или в связке с очень понятным и даже приятным образом). А потом использовать этот образ даже в те периоды, когда «гонка» как будто закончилась. Например, можно продемонстрировать лицо кандидата на фоне символа города или какого-нибудь продукта – хлеба, шоколада (да чего угодно, хорошо запоминающегося и вызывающего нужные ассоциации), а затем просто развесить плакаты с шоколадом, лимонадом или хлебом. И никакой вроде бы рекла-мы но мы-то с вами понимаем, что это еще та реклама!).

Однако у работы, которую провел Родриго Кирога, есть еще один важный аспект, касающийся каждого из нас. Если внимательно проанализировать, как действовали ученые, можно обнаружить, что их эксперименты напоминали исследование на полиграфе (детекторе лжи). Перед использованием прибор обычно сначала калибруют (смотрят, на какие раздражители есть ответы). Затем создается своеобразная шкала, с которой будут сравнивать ответы, чтобы определить, говорит человек правду или нет. И тем не менее на сегодняшний день мы не можем утверждать, что полиграф способен на 100 % точно показать, когда человек говорит правду, а когда лжет. Полагают, что, если человек хорошо подготовится заранее и поверит в свою ложь, полиграф может принять ее за правду. Я здесь упоминаю детектор лжи просто для сравнения.

В исследованиях Кироги сначала происходила калибровка стимулов (ученые смотрели, реагирует какой-то нейрон или нет). Затем исследователи оценивали, какая именно клетка реагирует и как. А потом уже предъявляли людям различные стимулы (изображения), чтобы вызвать активность нейрона. По активности мозга ученые могли установить, известно ли испытуемому что-либо о данной персоне или нет. Получается, исследователи извлекали воспоминания помимо воли человека. В некотором смысле они приблизились к прообразу технологии чтения мыслей.

На сегодняшний день вопрос возможности расшифровки нервно-психических кодов мозга является очень сложным и спорным. Давайте в следующей главе кратко остановимся на одном примере, чтобы обрисовать текущую ситуацию.

Иногда именно тот, кто, казалось бы, ничего из себя не представляет, делает то, что никто и представить не мог.

Алан Тьюринг





«Нейронное кружево» Илона Маска, или Зачем нам «читать мысли»




В одном из интервью Илон Маск заявил, что если бы в мире присутствовал некий «ультраразумный искусственный интеллект», люди настолько уступали бы ему по уровню интеллекта, что стали бы его домашними животными. И это был бы еще хороший сценарий. Маск предложил такое, наиболее удачное по его мнению, решение: обзавестись «слоем» искусственного интеллекта.

Представьте: у вас есть лимбическая система (структуры, обеспечивающие эмоции), кора больших полушарий, а над мозгом надстроен некий цифровой уровень. Причем этот уровень работает в симбиозе с мозгом. Кроме того, мы все уже частично киборги, потому что обладаем цифровой версией себя в сети. Таким образом, у каждого человека появляется ряд «суперспособностей»: можно найти ответ на любой вопрос, устроить видеоконференцию с кем угодно, написать миллионам людей в одно мгновение.

Продолжая рассуждения, Маск отметил, что есть проблемы с вводом и выводом информации. Особенно с последним. Мы вносим информацию в телефон (то есть выводим ее из нашего мозга) пальцами. И это до смешного медленно. Симбиотическое слияние с цифровым интеллектом позволит устранить ограничения ввода и вывода информации.

Далее Илон Маск рассказал о том, что его компания планирует создать своего рода прямой кортикальный интерфейс. Ему уже даже придумали название – «нейронное кружево». Этот интерфейс напрямую свяжут с клетками коры больших полушарий мозга. Предположительно, он будет представлять собой миниатюрные чипы размером в несколько микрон. Задача устройства – улучшить умственные способности человека. А также помогать восстанавливать память, развивать двигательные навыки (особенно это актуально для людей, перенесших инсульт) и даже обмениваться мыслями.

Маск собрал выдающихся представителей научного и инженерно-технического сообщества. Например, в команду вошел один из создателей «нейронной пыли» – системы крошечных датчиков для записи мозговой активности.

Сроки создания «нейронного кружева» весьма сжатые. Полагают, что его представят уже в 2027 году. Интригует, не правда ли?

Как вы понимаете, в интернете и СМИ ведутся бурные обсуждения этого проекта. В частности, появляются опасения, что устройство может быть использовано в корыстных целях.

Сразу же вспоминается и недавняя громкая история с Марком Цукербергом. Его компанию, Facebook Inc., обвинили в том, что она продавала данные пользователей одноименной социальной сети сторонним организациям. Дело дошло до того, что Цукерберга вызвали на слушания в Конгресс США.


Несомненно, если будет создан интерфейс, способный читать наши мысли, антиутопия Оруэлла вполне может стать реальностью. Государство и корпорации захотят получить доступ к нашим мыслям.

Но есть и другая потенциальная опасность. К примеру, при современном уровне развития технологий если одно государство хочет нанести удар по другому, оно взламывает сетевые ресурсы и «порабощает» устройства. Но что же случится, если атаке подвергнутся не гаджеты, а наши с вами головы?

Я предлагаю пока оставить эти туманные рассуждения для научно-фантастических романов.

От себя добавлю, что устройство, позволяющее читать мысли, однажды точно появится. Мой скепсис связан со сроками. 2027 год – это слишком скоро для столь значимого открытия. И вот почему.

Первая проблема связана с тем, что существующие устройства работают слишком медленно и передают мало данных. Для продуктивной работы интерфейса потребуется получать информацию от миллионов, а то и миллиардов, нервных клеток. Пока не приходится говорить и о десятках тысяч.

Вторая проблема во многом следует из первой. К сожалению, пока мы не научились хорошо декодировать биоэлектрическую и химическую активность, связанную с мозгом. В 2016 году заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов МГУ Александр Яковлевич Каплан сказал, что в десятках лабораторий пытались по ЭЭГ расшифровать не только мысли о руках-ногах, но и мысли в ситуациях, когда испытуемый в уме представляет события или объекты внешней среды: ночь, улица, фонарь, аптека. Пока безуспешно.

Третья проблема – вживление электродов. Любые хирургические манипуляции на мозге всегда крайне трудоемки и даже опасны. Маск заявляет, что датчики можно будет отправить в мозг через яремную вену. Но мы-то с вами знаем, что гематоэнцефалический барьер не дремлет.

С датчиками могут возникнуть и другие сложности. Поскольку это чужеродные для мозга элементы, иммунная система может начать их отторгать. В первую очередь датчики будут атакованы клетками глии. И тем не менее чипы уже вживляют, хоть и не в таких масштабах, как планирует Маск. Подробнее о них мы еще поговорим в третьей части книги.

Разве есть в жизни что-либо более прекрасное, чем поиск ответов на вопросы?

Айзек Азимов





Кортикальные колонки мозга




На научном языке скопления тел нервных клеток называют ядрами. Запомнить легко: ядро мозга – это тела клеток (их ядра, содержащие органоиды и хромосомы).

Например, в мозге есть структура под названием ядро Якубовича (оно названо так не в честь популярного телеведущего, конечно же, а в честь анатома). Ядро Якубовича входит в состав структур среднего мозга. Оно обеспечивает функцию сужения/расширения зрачка. Когда врач скорой помощи светит фонариком в глаз потерявшему сознание человеку, он проверяет работоспособность структур среднего мозга. Зрачок сузился – прогноз хороший. Если нет – дела плохи.

Помимо ядер, в мозге есть и так называемые слоистые, или стратифицированные, структуры. К ним относят кортикальные колонки.

Если мы с вами взглянем на мозг в разрезе, то увидим, что он более чем наполовину состоит из белого вещества (отростков клеток, покрытых жироподобной капсулой из миелина). Длинные отростки – это проводящие пути (аксоны). Они соединяют разные отделы головного мозга, а также отправляют команды в спинной.

Получается, что мозг – это бесконечные пучки проводов.

В 2009 году стартовал проект под названием «Коннектом человека» (Human Connectome Project). Коннектом – это описание всех связей в мозге. Именно на создание такого описания и направлен исследовательский проект.

Некоторые нейробиологи полагают, что, если это удастся, станет возможным скопировать сознание человека, поскольку именно в связях между клетками и заключена наша память. Образно говоря, мы есть то, что мы помним. Эта метафора, хоть и звучит упрощенно, близка к реальности. Но, как вы понимаете, построить стабильную структуру коннектома даже одного человека невозможно, потому что связи постоянно перестраиваются.





Рис. 15. Белое и серое вещество мозга



Но вполне реально проследить структуру крупных проводящих путей (они остаются относительно стабильными на протяжении жизни). На рис. 16 показан вариант визуализации такой структуры.





Рис. 16. Вариант визуализации связей в мозге (компьютерная модель)



Серое вещество сконцентрировано в крупных ядрах мозга и тонкой коре, распластавшейся по полушариям. Толщина коры больших полушарий всего около 3–4 мм. В сером веществе коры выделяют 6 слоев (90 % коры имеет такое строение): тела клеток чередуются со слоями отростков. Каждый нейрон с помощью синапсов связан с тысячами других клеток.

В 1957 году Вернон Маунткасл, анализируя ответы клеток в соматосенсорной коре, обнаружил, что, если погружать микроэлектрод перпендикулярно поверхности коры, все встречаемые им нейроны отвечают на раздражитель одной и той же модальности (то есть одного вида чувствительности – например, кожной вибрации). Но как только он погружал электрод под углом к поверхности, на его пути попадались нейроны с другой сенсорной модальностью.

Из этого Маунткасл сделал вывод о том, что в коре есть некие вертикально ориентированные модульные структуры. Он назвал их колонками. В каждой такой колонке обычно присутствует около 100 нервных клеток (разных размеров и форм).

В центре колонок, как правило, находятся крупные пирамидные нейроны. Они представляют собой остов (основу) колонки. Считается, что крупные пирамидные нейроны отвечают за реакцию колонки в целом.

Над ними располагаются более мелкие клетки с отростками. Они называются короной. Внутри нее связи как бы замыкаются, формируя своеобразную память колонки. По замкнутым цепям короны нервный импульс может долго циркулировать, раздражая остов до тех пор, пока к нейронам не поступят тормозные импульсы.

На самом деле модуль из 100 нейронов называют миниколонкой. В свою очередь миниколонки объединяются в более крупные гиперколонки (их еще называют просто колонками). И гиперколонка уже представляет целый кортикальный модуль, выполняющий определенную функцию.

Чем меньше колонка, тем более простую функцию она выполняет. Более того, внутри колонки работает правило: чем ниже уровень (слой), тем более простая информация обрабатывается.