Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис

импульсом, нас везде ждет тьма. Теперь мы оказались в последних областях коры головного мозга, которые имеют дело со зрением, где цвет встречает форму («Светло-коричневое печенье с шоколадной крошкой!»), где характерные кривые превращаются в лица («Анджела и Измаил стоят около двери в переговорку и не смотрят в эту сторону»). Наш импульс пронесся мимо миллиардов нейронов коры головного мозга. И подавляющее большинство из них не отправило ни единого импульса за ту секунду, пока мы пересекали мозг. Подавляющее большинство вообще ничего не отправляет. Даже нейробиологам трудно в это поверить, что неудивительно, поскольку наши данные показывают обратное.

Нейровизуализация – фМРТ – показывает нам цветные изображения коры головного мозга, ее области то и дело вспыхивают вихрями буйства неудачно подобранных условных оттенков, от которых люди из Pantone тихо плачут в свои модные кофейные кружки. Из-за вихрей цвета кажется, что в коре головного мозга постоянно кипит работа. Когда мы видим лицо, визуальные области коры головного мозга выстреливают очереди импульсов из V1, из V4, вплоть до областей распознавания лиц в височной доле. Когда мы слышим крещендо струнного оркестра, слуховые области нашей коры расцветают залпами импульсов.

Классические исследования отдельных нейронов показывают нам, что у каждого нейрона, скорее всего, есть своя роль. Каждый на что-то реагирует: на линию, угол, движение, цвет. Потому что, когда экспериментаторы опускают тонкие иголки электродов в кору головного мозга, они могут записывать импульсы, исходящие от тела нейрона, и ассоциировать их с чем-то происходящим в окружающем мире. Множество исследователей занимается поиском связей этих сигналов с особенностями видимого мира, изучая такие нейроны, как те, что мы уже встречали, различающие простое и сложное, края, линии и углы, контрасты, формы, объекты, лица. Выбрав иную отправную точку, мы встретили бы другие их разновидности: нейроны слуховой коры, реагирующие на звуки определенной частоты; нейроны соматосенсорной коры, отвечающие на прикосновение к пальцу, ноге или руке.

Десятилетия работы и десятки тысяч экспериментов показывают, что, опуская электрод в любой участок головного мозга, мы наткнемся на полчища нейронов, которые реагируют на что-то свое. Так что почти наверняка все нейроны только и делают, что посылают импульсы в ответ на какие-то сигналы.

А вот элементарная арифметика говорит, что это не так. Недавно мы били баклуши в простой клетке в V1, и если бы мы там задержались подольше, то увидели бы, что она генерирует порядка пяти импульсов в секунду. Как мы теперь знаем, ей нужно около 100 входящих импульсов, чтобы отправить один. Получается, за эту секунду ей должно поступить в общей сложности не менее 500 входящих импульсов возбуждения. Но мы также знаем, что нейрон V1 имеет около 7500 возбуждающих входов. Если бы каждый из этих входящих сигналов приходил с периодичностью пять импульсов в секунду, то в общей сложности клетка получала бы 50 000 импульсов на входе каждую секунду. Это слишком много, в 100 раз больше, чем нужно [140]. В ответ на такой поток входящих сигналов простая клетка из в V1 должна была бы каждую секунду посылать 500 импульсов.

Но, конечно, наш нейрон этого не делает и его входы не получают такого количества входящих сигналов. Они бы и не смогли: посылать 500 импульсов каждую секунду для нейрона равносильно попытке человека перекричать реактивный самолет. Это теоретическая максимальная скорость, с которой нейрон коры может отправлять импульсы, и то с подачи жестокого экспериментатора. Хотя бы потому, что после каждого отправленного импульса есть несколько миллисекунд, в течение которых нейрон физически не может сгенерировать следующий. На самом деле даже самый активный нейрон коры головного мозга может выдавать непрерывную серию импульсов с частотой не более 30 разрядов в секунду.

Вот вам парадокс: нейроны коры головного мозга посылают импульсы значительно реже, чем могли бы, если бы все их входы были одинаково активны. Единственное возможное объяснение состоит в том, что большинство входов нейрона в коре головного мозга просто не получают импульсов. Это в свою очередь означает, что большинство нейронов коры головного мозга не отправляют импульсов. Но так ли это?

Как найти темный нейрон

Вплоть до 1990-х нейробиологи могли записывать активность отдельных нейронов животных только вслепую. Когда они вводили острие электрода в какой-нибудь участок коры головного мозга, то узнавали, что нашли нейрон, только по сигналу, который регистрировался на осциллографе, или по звуку в лабораторных динамиках: тик, тик, тик, тик… Получается, они могли найти только активный нейрон, потому что единственный способ обнаружить нейрон заключался в регистрации его активности.

Это создало ужасную предвзятость в нашем понимании мозговой активности, импульсов и того, какие нейроны их посылают. Если каждый нейрон, активность которого вы записываете, посылает импульсы, то, поскольку вы – как вам кажется – производите выборку случайным образом, вслепую, это должно означать, что импульсы посылает каждый нейрон. Но если ваш единственный способ найти нейрон – по импульсам, которые он отправляет, то по определению вы не сможете найти те нейроны, которые ничего не отправляют. Для вас они будут темной материей вселенной мозга – увеличивающей его массу, но невидимой для измерительных инструментов.

Но затем появились технологии получения изображений нейронов. Мы вводим цифровую видеокамеру в ту часть мозга, где каждый нейрон содержит введенное нами флуоресцентное химическое вещество, которое начинает светиться, когда нейрон проявляет активность. Чаще всего это соединение реагирует на количество кальция в теле нейрона, загораясь с каждым импульсом от притоков в тело клетки ионов кальция [141]. Снимая на видео кусочек мозга, мы можем рассмотреть все нейроны и их очертания в четком фокусе. И увидеть, какие из них загораются. Оказывается, десятилетиями мы фиксировали только верхушку айсберга. Большинство нейронов, заснятых на этих видео, неактивны.

Первые намеки на масштабы этого феномена были получены при визуализации коры головного мозга крыс, находящихся под наркозом. Под действием многих анестетиков кора головного мозга работает так же, как и во время глубокого сна, колеблясь между состояниями активности и глубокого спокойствия примерно раз в секунду. Получив изображения первых слуховых и соматосенсорных (реагирующих на касание) зон коры, Джейсон Керр и его коллеги сообщили, что в «активные» периоды, длящиеся секунду или чуть больше, на самом деле активны были только 10 % от всех нейронов [142]. 90 % в это время молчали, и почти все затихали в период «спокойствия». И эта пропорция молчащих нейронов не связана со сном или анестезией – у бодрствующих животных она выглядит так же.

Кристофер Харви и его коллеги из лаборатории Дэвида Танка в Принстоне фиксировали на видео часть теменной коры, которая находится в конце шоссе «Как?», у мышей, бегущих по Т-образному лабиринту [143]. (Виртуальному: мышь на самом деле бежала внутри шара, в то время как виртуальный мир вращался вокруг нее.)