Майкл Хорост - Всемирный разум
Что снится крысам?
Мы можем регистрировать возбуждение зрительной коры головного мозга с помощью электроэнцефалографии. И видеть, как мозг принимает решения относительно того, складывать или вычитать числа. Мы в состоянии определять, как интенции проявляют себя в лимбической системе. В меньшей мере, но все-таки можем наблюдать, как возникает намерение говорить. А можем ли мы расшифровывать хранящиеся в мозге воспоминания о местах, виденных ранее? Да. можем.
Это было проверено в эксперименте на крысах. Одной из них в гиппокамп – ту часть мозга, которая помогает неокортексу переводить информацию из краткосрочной памяти в долгосрочную, – вживили тонкие электроды. Зверька поместили в лабиринт с приманкой. Крыса двигалась по нему в поисках последней. Возбуждение каждого нейрона в определенном участке зрительной зоны ее мозга регистрировалось посредством электродов, а телевизионная камера вела запись, показывающую точное положение животного в лабиринте. Каждый нейрон, как правило, обнаруживал признаки возбуждения в строго определенном месте – например, когда крыса слева огибала определенный угол или наталкивалась на приманку. Поэтому нервные клетки с подобным типом реакции получили название «нейронов места». Никто их ученых не может сказать, почему некий нейрон «предпочитает» именное данное, а не иное место, или четко определенный объект. Однако для эксперимента это очень важно. Итак, пока крыса бежит по изгибам лабиринта, нервные клетки в ее гиппокампе возбуждаются, образуя уникальный паттерн – схему своей активации. Если заставить ее вновь двинуться по лабиринту в поисках приманки, нейроны снова начнут возбуждаться по примерно той же схеме. Таким образом, мы можем заключить, что гиппокамп кодирует информацию о беге крысы по лабиринту.
Прежде чем продолжить, позвольте пояснить, что термин «кодирование» (encoding) не означает «хранение». Гиппокамп предназначен не для хранения воспоминаний в своем теле, а для координации и организации этого процесса в неокортексе. Исследователи установили, что когда гиппокамп меняет «рисунок» нейронных паттернов, то же самое делают и связанные с ним участки неокортекса [148] . Все выглядит так, словно первый командует последними, требуя укрепить некоторые синаптические связи – чтобы соответствующие воспоминания стали постоянными. То есть они хранятся не в гиппокампе, а закрепляются в тех участках неокортекса, где – благодаря тем или иным событиям – возникли первоначальные синаптические связи. Зрительные воспоминания хранятся в зрительной зоне коры, слуховые – в слуховой и так далее.
Гиппокамп координирует хранение воспоминаний в мозге. И вот ключевой момент: когда крыса засыпает и начинает видеть сны, он вновь «проигрывает» ту последовательность возбуждения нейронов, которая обнаруживала себя при следовании животного по лабиринту. Мы знаем, что крысы видят сны, потому что их глаза тогда совершают как раз те самые быстрые движения, которые, как уже давно установлено, ассоциируются со сновидениями. Поэтому можно констатировать: в сновидениях крысы бегут по лабиринту [149] .
Это одна из самых экстраординарных вещей из всего, что я услышал при знакомстве с нейронаукой. Сновидения – вероятно, наиболее «приватная» область ментальной активности. Тем не менее, мы можем понять, что именно видится крысе, вспоминающей во сне свои дневные похождения. Хотя мы все еще не в состоянии выяснить, когда именно ей снятся ее мать, или клетка, или собратья, или (весьма вероятно) ученые-экспериментаторы.
Можно ли «взломать» код памяти?
В понимании того, как определенные воспоминания кодируются мозгом и соотносятся друг с другом, удалось добиться заметного прогресса. В удивительной серии экспериментов Джо З. Тсьен из Бостонского университета (не имеет никакого отношения к Роджеру Тсьену из главы 8 – это просто однофамильцы) занялся алгоритмами кодирования и взаимосвязи воспоминаний. Он установил: когда мозг получает какой-то опыт, каждый аспект последнего представляется как нечто уникальное и имеющее явные характерные отличия [150] .
Рассмотрим все детально. Если вам случится пережить землетрясение, вы сможете описать его различным образом – в общем виде и в частностях. В первом случае: это было пугающее событие. Более конкретно: ощущались выводящие из равновесия толчки и движения. Еще точнее: земля ходила ходуном. Еще детальнее: вам запомнилось, что происходило в том месте, где вы были в тот момент, – скажем, на углу у церковного собора или на рыночной площади в Сан-Франциско.
Таким образом, имеем иерархию аспектов землетрясения: от общих впечатлений до самых конкретных.
...Возникло что-то пугающее… → Беспорядочные толчки и движения выводили из равновесия → Земля ходила ходуном → Это было рядом с церковью или рыночной площадью.
Было бы слишком просто думать, что каждый из этих аспектов кодируется гиппокампом отдельно, однако Джо Тсьен полагает, что дело именно так и обстоит. Вместе со своими сотрудниками он имплантировал крысам электроды, способные регистрировать активность расположенных в гиппокампе 260 нейронов. Затем животных заставили пережить три различных события: сильное дуновение воздуха за их спинами, падение в коробке и встряску клетки, в которой они находились. (Ученые обозначили эти события как стихийный порыв ветра, падение кабины лифта и землетрясение). И никого не удивило, что каждое из этих них «высвечивало» в гиппокампе определенную схему (паттерн) нейронной активности.
Мы уже сталкивались с чем-то подобным: если есть X, то возникает корреляция с Y. Но Джо Тсьен сделал шаг вперед. Он обнаружил, что нейроны одной определенной группы активируются в ответ на все три события. Ученый называет ее «кликой» («clique»), подразумевая функциональную группу нервных клеток, объединенных друг с другом силой взаимной связи. Он предположил, что нейроны такой клики кодируют один аспект, характерный для всех трех событий. В данном случае то, что они оказались пугающими (startling). Поэтому такие нейроны объединяются в особую функциональную «группу испуга» («startle clique»).
Д. Тсьен нашел и другую группу возбуждавшихся нейронов – реагировавших только на два из трех указанных выше событий, условно названных падением кабины лифта и землетрясением. Он предположил, что эта клика должна кодировать не испуг, а нечто иное – «выводящие из равновесия толчки и движения». Так появилась «группа потери равновесия» («disturbance clique»). Затем нашлись нейроны, «не замечавшие» ни «падения лифта», ни «землетрясения», но реагировавшие на «порыв ветра». Они получили собирательное название «группа ветра» («wind» clique).
Д. Тсьен воссоздал воспоминания о трех событиях, представив их в виде трех самостоятельных, но накладывающихся друг на друга групп нейронов. Было также отмечено, что последние организованы иерархическим образом. Одна группа должна была реагировать на все три события, поэтому служила «основанием» иерархии. Эта группа «зажигалась» всегда. Другие возбуждались избирательно – не на все три события, а лишь на некоторые из них. Следовательно, они занимали «более высокое» положение. Не в буквальном смысле, не в пространстве мозга, а чисто логически. Наблюдая, какая из трех особых функциональных групп нейронов переходит в активное состояние, Тсьен смог определить, что именно из опыта трех своих впечатлений снится лабораторной крысе. Таким образом ученый расшифровал схему возникновения трех различных воспоминаний и установил, каким образом нейроны кодируют аспекты – частные характеристики остающейся в памяти общей картины.
Для регистрации сигналов возбуждения нервных клеток Д. Тсьен применял электроды, однако это можно было делать и средствами оптогенетики. Возбуждаясь, нейрон включает гены, продуцирующие особый белок, названный c-fos . В нервную клетку можно встроить дополнительный ген, задачей которого будет контроль за выделением данного белка. Более того, этот дополнительный ген может решать задачи и более широкие, чем только подача сигнала о белке c-fos . В качестве дополнительного гена может использоваться наш старый знакомый ченнелродопсин (channelrhodopsin), заставляющий нейроны возбуждаться при облучении направленным светом. В этой же роли может выступать зеленый флуоресцентный белок GFP (green flourescent protein) – тот самый, который принес Нобелевскую премию Роджеру Тсьену после его отказа от продолжения работы с ченнелродопсином. При определенных условиях GFP может заставлять возбужденные нейроны флуоресцировать зеленым светом – благодаря этому выявляются особые функциональные группы («клики») нейронов [151] .
Чтобы полностью контролировать возбуждение нервных клеток в такой группе, в нейроны необходимо встраивать оба гена. Зеленый флуоресцентный белок обеспечивает свечение в течение некоторого времени, а воздействие световых лучей сине-голубого цвета возбуждает эти нейроны. Если же, наоборот, использовать халорходопсин и желтый свет, то возбуждение нейронов можно подавить. И пока будет включен желтый свет, мозг не сможет удержать никакие воспоминания. Такая схема действий показывает – по крайней мере, теоретически, – что подавить определенные участки (блоки) памяти или некоторые воспоминания вполне возможно. Это могло бы получиться весьма интригующее устройство, назначение которого, разумеется, в том, чтобы излучать Вечное Сияние Чистого Разума [152] .
