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

Нетрудно понять, отчего схватка между двумя уважаемыми профессорами попала на первые полосы. Когда тело само себя ремонтирует, это всегда восхищает. Раны на коже затягиваются, оставляя лишь шрам. А из всех внутренних органов по способности к самовосстановлению лидирует печень: она вырастет заново, даже если удалить две трети. Если бы неокортекс взрослого человека мог выращивать новые нейроны, это означало бы, что у мозга способность к самоисцелению гораздо больше, чем нам казалось.

В итоге ни один из соперников так и не стал бесспорным победителем. Неокортекс, похоже, действительно следует максиме «У взрослых не появляются новые нейроны». Однако сам Ракич вынужден был признать, что новые нейроны постоянно возникают в двух участках зрелого мозга – гиппокампе и обонятельной луковице. (Обонятельная луковица играет для носа ту же роль, что и сетчатка для глаза, а гиппокамп – одна из важнейших частей коры, не являющихся частью неокортекса.)

Поскольку новые нейроны появляются в этих двух участках мозга в нормальных условиях, даже в отсутствие всяких повреждений, они возникают, видимо, не для лечения. Возможно, они благотворно действуют на потенциал обучения, подобно тому как новые синапсы предположительно увеличивают емкость памяти, позволяя нам усваивать новые ассоциации. Гиппокамп находится в срединной части височной доли – там, где когда-то обнаружили «нейрон Дженнифер Энистон». По мнению некоторых исследователей, гиппокамп – своего рода «ворота» памяти. Ученые предполагают, что он первым накапливает поступающую информацию, а затем уже передает ее в другие участки мозга – например, в неокортекс. Если это так, гиппокамп должен быть необычайно пластичным, а появление в нем новых нейронов еще больше усиливает его пластичность.

Точно так же и обонятельная луковица могла бы использовать новые нейроны, чтобы лучше запоминать запахи.

Согласно концепции нейронного дарвинизма, самоуничтожение синапсов идет рука об руку с их созданием: таким путем накапливаются воспоминания. Мы могли бы ожидать, что и создание нейронов сопровождается процессом их исчезновения. Такая картина действительно наблюдается у клеток многих типов: они постоянно умирают в ходе развития организма. Подобную гибель клеток именуют запрограммированной, поскольку она чем-то напоминает самоубийство. Клетки от природы наделены механизмами саморазрушения и способны приводить их в действие, когда возникает соответствующий стимул.

Вам может показаться, что ваша кисть отращивала пальцы, добавляя новые клетки к уже существующим. Не совсем так. На самом деле в вашей руке, еще когда вы были эмбрионом, отмирали клетки, освобождая пространство между пальцами. Если этот процесс идет неправильно, ребенок появляется на свет со сросшимися пальцами: небольшой родовой дефект, который легко устранить хирургическим путем. Так что процесс отмирания клеток работает подобно скульптору, отсекая ненужное, а не добавляя новое.

С мозгом похожая история. Пока вы плавали в материнской утробе, примерно одно и то же число нейронов умерло и уцелело. Не расточительство ли это – создавать так много нейронов, а потом уничтожать их? Но если гипотеза «выживания наиболее приспособленных» подходит для рассуждений о синапсах, может быть, она применима и к нейронам. Вероятно, нервная система в ходе своего развития совершенствует себя, оставляя в живых те нейроны, которые вступают в «правильные» связи, параллельно уничтожая те нейроны, которые этого не делают. Эту дарвинистскую интерпретацию предлагают не только для объяснения развития организма в детстве, но и рассуждая о возникновении и отмирании нейронов во взрослые годы: такие процессы, проходящие в зрелом мозге, я буду называть регенерацией.

Если регенерация так благотворно влияет на нашу способность к обучению, почему она не происходит в неокортексе? Возможно, этой структуре необходимо быть стабильнее, чтобы сохранять в себе то, что выучивается, а значит, ей приходится быть менее пластичной. Однако сообщения Гулд о новых нейронах, возникающих в неокортексе в зрелые годы, находят подтверждения в научной литературе: в журналах время от времени появляются статьи об аналогичных исследованиях начиная с шестидесятых годов прошлого века. Может быть, в этих работах содержатся какие-то зерна истины, противоречащие убеждениям, принятым ныне среди большинства нейробиологов.

Это противоречие можно попытаться разрешить, предположив, что степень неокортикальной пластичности зависит от свойств среды, в которой обитает животное. Возможно, пластичность резко падает при содержании животного в неволе, поскольку в тесной клетке наверняка скучнее, чем на воле, и учиться в заточении особенно нечему. Мозг, вероятно, ответит на такое сужение горизонтов минимизацией количества создаваемых нейронов, а большинство из создаваемых будут вскоре уничтожены. В этом сценарии новые нейроны все-таки появляются, но в небольших и непостоянных количествах, которые трудно выявить: вероятно, именно поэтому ученые разделились на два лагеря в этом вопросе. Вполне вероятно, что более естественные условия жизни будут способствовать росту обучаемости и пластичности, и новые нейроны тогда будут многочисленнее.

Может быть, вас не убедило такое рассуждение, однако оно иллюстрирует собой главный вывод из истории о Ракиче и Гулд: следует быть осторожными, с порога отметая возможность регенерации, переподключения нейронов или других разновидностей коннектомных изменений. А если уж вы всерьез задумали отрицать такие вещи, не забудьте сформулировать условия, при которых эти явления точно не происходят. Ведь при других условиях они вполне вероятны.

По мере того как нейробиологи всё больше и больше узнав али о регенерации, дедовские методы простого подсчета нейронов казались всё более грубыми и примитивными. Нам хотелось бы знать, почему одни нейроны выживают, а другие отмирают. Согласно дарвинистской теории, о которой мы говорили ранее, выживают те новые нейроны, которым удается интегрироваться в сеть уже существующих, создав правильные связи. Но мы плохо представляем себе, что такое «правильные связи», и вряд ли нам удастся это выяснить – до тех пор, пока мы эти связи не увидим. Вот почему коннектомика должна сыграть важную роль в объяснении того, насколько регенерация помогает процессу обучения – и помогает ли вообще.

Я говорил о четырех типах изменения коннектома – ИСВ, рекомбинации связей, переподключении и регенерации. Эти четыре процесса играют важную роль в совершенствовании нормального мозга и в исцелении поврежденного или больного. Вероятно, главная цель нейронауки как раз и состоит в том, чтобы полностью выявить потенциал четырех процессов. Отрицание одного или нескольких из них в былые времена становилось основой для тех или иных гипотез коннектомного детерминизма. Теперь мы знаем, что такие гипотезы – чересчур упрощенные, они не отражают истинное положение вещей. Необходимо указывать условия, при которых эти гипотезы работают.

Более того, потенциал четырех процессов не является чем-то фиксированным и незыблемым. Я уже отмечал, что мозг после травмы способен усилить рост аксонов. Более того, известно, что повреждение неокортекса «привлекает» новорожденные нейроны, мигрирующие в зону повреждения, тем самым становясь еще одним исключением из заповеди «никаких новых нейронов в зрелом мозгу». Эти эффекты, рождающиеся при повреждениях, возникают про посредничестве молекул, которые сейчас пристально изучают специалисты. Теоретически говоря, мы могли бы способствовать проявлению четырех процессов искусственным путем, манипулируя такими молекулами. Именно так гены влияют на коннектомы, и лекарства будущего станут делать то же самое. Однако на четыре процесса влияет и приобретаемый человеком опыт, так что более тонкую настройку можно будет производить, сочетая вмешательство на молекулярном уровне с подбором режимов обучения и подготовки.

Эта нейробиологическая повестка дня звучит многообещающе, но действительно ли она выведет нас на путь истинный? Ведь она опирается на некоторые важные допущения, которые довольно убедительны, однако по большей части не подтверждены. А главное – верно ли, что изменение ума и сознания в конечном счете сводится к изменению коннектома? Таково очевидное следствие из теорий, которые низводят восприятие, мышление и другие проявления умственно-психической деятельности к рисунку нервных импульсов, порождаемых рисунком нейронных связей. Проверка этих теорий покажет нам, действительно ли правы коннекционисты. В мозгу действительно идут четыре процесса коннектомных изменений, но пока мы можем лишь умозрительно рассуждать о том, как они вовлечены в процессы обучения. Согласно дарвинистской точке зрения, синапсы, нейроны и отростки нейронов создаются для того, чтобы улучшить обучаемость мозга, увеличивая его потенциал – в частности, путем хеббовского усиления, позволяющего выживать определенным синапсам, нейронам и нейронным отросткам. Остальные отмирают, если возможности, которые они предоставляют, оказываются невостребованными. Без тщательного изучения этих теорий мы вряд ли сумеем по-настоящему поставить себе на службу мощь четырех процессов.