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

Но в ближайшем будущем, похоже, психологам и неврологам принесет больше всего пользы именно зональный коннектом. Олаф Спорнс и его коллеги подчеркивали это еще в своей статье 2005 года, где они впервые и ввели термин «коннектом». Возможно, вам доводилось слышать о проекте «Коннектом человека» стоимостью 30 миллионов долларов – его запустил в 2010 году американский Национальный институт здоровья. Большинство не отдает себе отчета в том, что проект нацелен лишь на зональные коннектомы, а к нейронным не имеет никакого отношения.

Сам я больше времени занимаюсь нейронами, чем зонами мозга, но я согласен со Спорнсом и его коллегами: находить зональные коннектомы тоже важно. Я не согласен с ними лишь в том, какими методами это лучше делать. Мне кажется, мы должны по-настоящему увидеть нейроны, чтобы с их помощью найти зональные коннектомы. Иными словами, я остаюсь нейронным шовинистом, но это касается скорее средств, чем цели.

Я убежден, что лучше всего было бы находить зональные коннектомы, мысленно вырезая в мозгу коннектомы нейронные, но я готов признать, что эта стратегия пока выглядит идеалистичной. В ближайшей перспективе ее можно будет применить на практике лишь к очень небольшому мозгу – не к человеческому. Вот почему проект «Коннектом человека» пытается сократить путь, ища зональные коннектомы при помощи МРТ. Как я объясню позже, этот метод получения изображений обречен сталкиваться с трудностями из-за своей ограниченной пространственной разрешающей способности. В главе 12 я предложу альтернативный вариант нахождения зональных коннектомов. Возможно, этот вариант уже в ближайшем будущем применят на практике, не срезая так уж много углов. Похожий метод мог бы помочь нам отыскивать и коннектомы, основанные на типах нейронов.

Не всякий нейробиолог так уж убежден в том, что нам следует прилагать больше усилий для того или иного разделения мозга. Некоторые полагают, что наши карты и без того достаточно хороши. Чтобы опровергнуть эту идею, рассмотрим-ка подробнее языковую модель Брока – Вернике. В учебниках она кажется такой эффективной. Но в действительности дело обстоит куда сложнее.

У одного из пациентов Брока мозговая лезия (повреждение) занимала более значительную площадь, чем сам центр Брока: она распространялась и на часть окружающих кортикальных зон, и на области мозга за пределами коры. Как выясняется, сама по себе лезия центра Брока еще не вызывает одноименную афазию (полное или частичное нарушение речи), а вот лезии, которые не затрагивают этот центр, как раз могут ее вызвать. Зональные предпосылки афазии Вернике так же туманны. Более того, двойная диссоциация способностей произносить слова и понимать речь – не такая ясная штука, как об этом пишут в учебниках. К примеру, броковскую афазию обычно сопровождают проблемы с пониманием фраз. В полном согласии с этими клиническими наблюдениями недавние ФМРТ-исследования продемонстрировали, что речевые навыки в мозгу не так сильно локализованы, как считалось прежде: в них задействованы кортикальные и субкортикальные (подкорковые) зоны вне центров Вернике и Брока. Клинические исследования не подтверждают традиционную гипотезу, по которой афазию проводимости вызывают лезии дугообразного пучка. Более того (и это смущает куда сильнее), некоторые ученые сегодня вообще не считают, что дугообразный пучок соединяет центры Брока и Вернике, хотя мы полагали так больше века. Нашлись нейробиологи, отыскавшие другие нервные пути, которые в действительности соединяют эти два центра.

По всем этим причинам исследователи языка отчаянно стремятся изобрести какую-то подходящую замену модели Брока – Вернике. Новая модель должна включать в себя дополнительные кортикальные области, а также некоторые участки мозга за пределами коры. Ее задача – объяснить более сложный набор языковых навыков, чем упрощенную пару «произнесение/понимание речи». Все специалисты согласны, что такая усовершенствованная модель необходима, однако среди них нет консенсуса насчет того, как ее разработать. Я тоже не стану делать вид, будто знаю точный рецепт, но уверен, что в этом помогут более точные карты мозга.

Если углубляться в историю нейробиологии и ее предшественниц, выяснится, что такое разделение мозга на участки когда-то могло считаться скорее искусством, чем наукой. Врач-терапевт диагностирует заболевание, основываясь на целом букете симптомов. Судья выводит компромиссное решение, основываясь на множестве прецедентов. Так и мозг нельзя сводить к единой простой формуле. Некоторые из границ между его отдельными участками, несомненно, проведены лишь произвольно и являются результатом былых научных казусов и ошибок нейроанатомов. Подобно глобусам и атласам, наши карты мозга не дают нам объективную и вечную истину. Иногда ученые выделяют новые области мозга, иногда сдвигают границы между существующими. Разногласия по вопросу границ порой выливаются в ожесточенные споры между учеными.

Нынешнее положение вещей не должно нас успокаивать. Может быть, наши современные карты мозга не так плохи, как карты мира, сделанные несколько столетий назад и кажущиеся нам теперь почти смешными. Однако в картографии мозга, мягко говоря, есть место усовершенствованию. Сами по себе карты еще не показывают, какой вклад вносят отдельные участки мозга в его умственно-психические функции, однако более совершенные карты способны ускорить исследования, дав нам твердую почву под ногами.

Мое особое внимание к структурным критериям разделения мозга может показаться странным современному нейробиологу, привыкшему сочетать их с критериями функциональными. Но такой акцент на структуре очень распространен в остальных сферах биологии. Органы тела были известны в качестве структурных единиц задолго до того, как человек понял их роль, и наивный наблюдатель может опознать, где какой орган, не имея ни малейшего понятия об их функции. Органеллы клеток наблюдали в микроскоп задолго до того, как стало известно, что клеточное ядро содержит генетическую информацию и что аппарат Гольджи «упаковывает» белки и другие биомолекулы, прежде чем отправить их по назначению[19].

Вообще-то такие биологические образования – одновременно и структурные, и функциональные единицы, просто обычно их вначале идентифицируют по структуре, а их функции выясняются позже. С участками мозга и типами нейронов должна происходить такая же история. Нейробиологи, следовавшие по стопам Бродмана а Кахаля, долго применяли структурный подход для разделения мозга, но добились лишь частичного успеха. И проблема тут не в том, что этот подход имеет какие-то глубинные недостатки. Нет, дело в том, что наша техника количественной оценки структуры мозга несовершенна и не вполне подходит для выполнения таких задач. Качество любого разделения мозга определяется качеством данных, на которых оно основано. Предоставляя гораздо более точные данные о структуре, коннектомика поможет более объективно разделять мозг и даже сознание.

Выявление кортикальных областей по анализу симптомов мозговых повреждений напоминает способы, какими австрийский монах Грегор Мендель изучал наследственность в 1860-е годы. Его эксперименты по межвидовому скрещиванию растений продемонстрировали, что наследование некоторых признаков управляется изменениями в определенной биологической единице, позже названной геном. На его простеньком рисунке признаки и гены имеют взаимно-однозначное соответствие. Однако сегодня нам известно, что в большинстве случаев на один признак может влиять значительное количество генов. В свою очередь, один ген может влиять на много признаков. Вот почему ген кодирует белок, который может выполнять множество задач.

Сходным образом локализационизм пытался установить взаимно-однозначное соответствие между умственно-психическими функциями и кортикальными зонами. Но, как выясняется, большинство умственно-психических функций требуют взаимодействия нескольких кортикальных областей, а отдельная область коры, как правило, участвует в выполнении различных умственно-психических функций. А значит, будет проблематично использовать функциональные критерии для того, чтобы определить границы кортикальных областей. Правильная стратегия – выявить эти области по структурным критериям, а затем понять, как взаимодействия между областями порождают умственно-психические функции. Этот подход, несомненно, станет все шире применяться на практике по мере развития технологий.

Мы рассчитываем найти одни и те же участки мозга и типы нейронов в каждом нормальном мозгу. Очевидно, зональные коннектомы, как и коннектомы по типам нейронов, у нормальных индивидуумов практически одни и те же. Вероятно, они в высокой степени определяются генетическим фактором. Как я уже отмечал, гены направляют рост нейронных ветвей, а значит, оказывают влияние на коннектом, основанный на типах нейронов. Ученые выявляют и те гены, которые управляют формированием кортикальных областей. Наши с вами умы могут оказаться похожи благодаря тому, что участки мозга соединены у нас в мозгу сходным образом. То же самое относится и к связям между типами нейронов.