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

Самая простая состоит в том, что в лаборатории мы не просим мозг делать что-нибудь интересное. В конце концов, в ходе экспериментов мы можем исследовать лишь крошечную часть реальных данных, получаемых этими нейронами. Так что, возможно, наши выборки недостаточно богаты и нам нужны записи нейронов животных, которые ведут себя естественно в течение очень долгого времени – дней, недель, месяцев, – чтобы выяснить, для чего они нужны. Затем, если мы сможем зарегистрировать реакции мозга на достаточное количество разнообразных событий в жизни животного, то сможем узнать, на что реагируют темные нейроны. Технически эта задача в пределах нашей досягаемости. Практически – не все так просто. Некоторым бедным аспирантам пришлось бы делать эти записи, запираясь в лаборатории на несколько недель подряд, пожертвовав личной жизнью, романтическими партнерами и чувством собственного достоинства в процессе.

Как утверждает Бруно Ольсхаузен, аргумент о скучном лабораторном мире не лишен правдоподобия для первичной зрительной зоны V1 [154]. Стимулы, которые мы используем в экспериментах, слишком просты, они плохо отражают реальный мир, и все нейроны в V1 действительно реагируют на что-то в окружающем мире – просто мы никогда не узнаем этого, если не сможем зарегистрировать всю их активность в течение жизни. Согласно этой идее ограниченная активность также связана с максимально эффективным использованием энергии, доступной мозгу. Теория состоит в том, что V1 имеет так называемую разреженность популяции, когда каждый нейрон в V1 крайне избирательно реагирует на внешние факторы, поэтому энергия не тратится впустую группами нейронов, реагирующих на одно и то же событие, и избыточная информация не отправляется. А это в свою очередь означает, что существует разреженность не только в пространстве, но и во времени – на протяжении всей жизни животного: если эти избранные события, на которые реагирует нейрон, случаются редко, нейроны будут редко посылать импульсы. Следовательно, проблема темных нейронов – в нашей ограниченной способности исследования мозга.

Вторая идея состоит в том, что темные нейроны – это резервная армия, застывшая в ожидании чего-нибудь новенького. Продолжительность жизни приматов велика, заполнена событиями, которые нужно помнить, навыками, которые нужно приобрести, лицами, которые нужно учиться различать. А если говорить о людях, то наше уникальное умение изучать новые концепции, идеи и слова предъявляет высокие требования к нашей способности представлять вещи с помощью импульсов. Часть этого обучения будет происходить путем изменения эффективной силы связей между нейронами – и, в экстремальном случае, путем изменения с исходно нулевых значений – будь то увеличение амплитуды скачка потенциала, повышение надежности синапса или и то, и другое. Повышение эффективности возбуждающего воздействия на темный нейрон в свою очередь увеличивает частоту отправления им импульсов. В результате, так же, как и в первой теории, причина, по которой мы не знаем, для чего нужны темные нейроны, заключается в том, что мы регистрируем их активность только в очень короткие моменты из всего их жизненного цикла, даже у грызунов, которые живут всего несколько лет. Поэтому мы просто не видим, задействуются ли темные нейроны с течением времени.

Однако эта простая идея осложняется тем фактом, что мозг не может беспечно увеличивать количество нейронов, посылающих импульсы. Во-первых, это увеличит потребление энергии, поэтому в теории, по мере того как резервные нейроны активируются, другим нейронам потребуется подавление. Во-вторых, эти новые импульсы необходимо уравновесить: увеличение количества импульсов возбуждения необходимо сбалансировать увеличением количества импульсов торможения, чтобы предотвратить неконтролируемые всплески активности.

Третья идея заключается в том, что темные нейроны на самом деле отправляют информацию вполне нормально. Просто они делают это совместно. Каждый темный нейрон вносит лишь небольшой вклад, время от времени, по одному импульсу, но они составляют 90 % всех нейронов, в сумме получается много импульсов. Согласно этой идее, темные нейроны отправляют сообщения не посредством серий из множества импульсов от малочисленных нейронов, а огромным количеством единичных импульсов от большой группы. И поскольку отдельный нейрон должен получить легион входящих сигналов, чтобы в свою очередь отправить импульс, эта масса темных нейронов может быть очень эффективной. В следующей главе мы продолжим эту мысль.

Кроме того, болтливые нейроны не только составляют крошечное меньшинство, но и их болтовня вполне может отключаться на принимающей стороне. Вспомните, что синаптический сбой может быть задействован как контроль входящего сигнала, ослабляя влияние шумных нейронов и усиливая влияние тихих. На самом деле нейроны, чьи входы кратковременно подавляются, лучше всего реагируют на факт активности на их входящих синапсах, а не на общую частоту сигналов на входе [155]. Таким образом, группа темных нейронов, совместно посылающих спорадические импульсы, будет именно тем типом входящего сигнала, который возбуждает нейрон, подверженный краткосрочной депрессии. Как это ни парадоксально, синаптические сбои могут благоприятствовать редко срабатывающим нейронам.

Уточненная версия этой теории также предлагает нам другое представление о частоте использования конкретных нейронов для выполнения определенных функций. Темные нейроны составляют подавляющее большинство в любой области коры головного мозга. Вероятно, в каждой специализированной области гораздо больше нейронов, способных передавать одни и те же сообщения, чем необходимый минимум. Так что, возможно, каждая реакция, демонстрируемая этой областью, например на изображение, показанное V1, или на звук, переданный в слуховую кору, исходит из случайного подмножества темных нейронов (случайных с нашей точки зрения, а не с точки зрения мозга). Это подмножество отправляет один или два импульса, а затем надолго отключается. Поэтому нам кажется, что большинство нейронов почти всегда молчит. Тем не менее сообщение, посылаемое разными группами темных нейронов, каждый раз одно и то же.

Основываясь на идее случайного выбора, можно сделать предсказание, легко проверяемое экспериментально. Регистрируйте активность от группы нейронов, повторяя одно и то же внешнее событие снова и снова, показывая одно и то же изображение V1 или совершая одно и то же движение рукой. Тогда, очевидно, для большинства нейронов должно случайным образом варьироваться, будут ли они реагировать на каждое повторение события или нет. Мы наблюдаем именно такое случайное участие в группах нейронов, чувствительных к движениям вибрисс, при воздействии на усы грызунов [156]; в группах двигательных нейронов, контролирующих руки, при однообразных движениях [157]; и даже в группах нейронов, управляющих движением, во время повторяющихся фаз ползания у аплизий [158]. Тогда получается, что темные нейроны – на самом деле не темные, мы просто их неправильно поняли.

Три предположения о том, для чего нужны темные нейроны – три ответа на загадку, как нейроны, которые не посылают импульсов, каким-то образом участвуют в жизни мозга. Может, то болтливое меньшинство, которое надежно отправляет импульсы, то, что находятся в «длинном хвосте», легче понять? Увы, нет. Многие из них, кажется, болтают, не слушая.

Говорят, не слушая

Среди