Модели разума. Как физика, инженерия и математика сформировали наше понимание мозга - Lindsay Grace

цепь из 25-30 нейронов, расположенных в кишечнике омаров и других ракообразных. Благодаря своим связям эти нейроны выполняют простую, но крайне важную работу: производят ритмичные мышечные сокращения, которые управляют пищеварением. Ева Мардер, профессор Университета Брандейса в Массачусетсе, потратила полвека на изучение этой горстки нейронов. Мардер родилась и выросла в Нью-Йорке, но образование получила в Массачусетсе, а затем в Калифорнии. Хотя ее докторская работа в Калифорнийском университете в Сан-Диего была посвящена нейронаукам, Мардер всегда проявляла склонность к математике: в начальной школе она пролистала учебники по математике, предназначенные для учеников на два года старше ее. Этот эрудит проникает в ее науку. На протяжении всей своей карьеры она сотрудничала с исследователями из разных областей, в том числе с Ларри Эбботом (упоминавшимся в главе 1), когда он переходил от физики элементарных частиц к известному теоретическому нейробиологу. Сочетая экспериментальную точность с математическим мышлением, Мардер тщательно исследовала работу этой маленькой схемы омара как физически, так и с помощью компьютерного моделирования.

Коннектома стоматогастрального ганглия омара известна с 1980-х годов. 30 нейронов этого ганглия образуют 195 связей и посылают сигналы к мышцам желудка. В своей докторской диссертации Мардер выясняла, какие химические вещества используют эти нейроны для связи. Помимо стандартных нейротрансмиттеров - химических веществ, проходящих через маленькую синаптическую щель между нейроном, который их выделяет, и нейрономихпринимает, - Мардер обнаружила целый ряд нейромодуляторов

Нейромодуляторы - это химические вещества, которые изменяют настройки нейронной цепи. Они могут изменять силу связей между нейронами в большую или меньшую сторону, заставлять нейроны работать чаще, реже или по разным схемам. Нейромодуляторы вызывают эти изменения, цепляясь за рецепторы, встроенные в клеточную мембрану нейрона. Нейромодуляторы примечательны в первую очередь тем, откуда они берутся и как попадают в нейрон. В самом крайнем случае нейромодулятор может высвобождаться из другой части мозга или тела и через кровь добираться до места назначения. В других случаях нейромодулятор высвобождается локально из близлежащих нейронов - но независимо от того, откуда он поступает, нейромодуляторы имеют тенденцию омывать цепь без разбора, затрагивая множество нейронов и синапсов диффузным образом. Если обычная нейротрансмиссия похожа на письмо, отправленное между двумя нейронами, то нейромодуляция - это листовка, разосланная всему сообществу.

В 1990-х годах Мардер вместе с сотрудниками своей лаборатории и лаборатории Майкла Нусбаума, профессора Пенсильванского университета, экспериментировала с нейромодуляторами в цепи стоматогастрального ганглия. Обычно эта цепь вырабатывает устойчивый ритм, когда определенные нейроны в популяции срабатывают примерно раз в секунду. Но когда экспериментаторы ввели в схему нейромодуляторы, это поведение изменилось. Некоторые нейромодуляторы увеличивали ритм: те же нейроны стреляли, но чаще. Активируя нейроны, которые обычно молчали. Нейромодуляторы, вызывающие эти изменения, выделялись из нейронов, которые обычно обеспечивают вход в эту цепь. Это означает, что различные модели выходного сигнала могут возникать естественным образом в течение всей жизни животного. В более искусственных условиях нейромодуляторы, добавленные экспериментаторами, могут вызывать еще более значительные и разнообразные изменения.

Важно отметить, что на протяжении всех этих экспериментов базовая сеть не менялась. Нейроны не добавлялись и не удалялись, не сокращались и не наращивались связи. Заметные изменения в поведении происходили исключительно благодаря небольшому количеству нейромодуляторов в устойчивой структуре.

Масштабные усилия, затраченные на получение коннектома, предполагают определенную отдачу от его наличия, но отдача будет меньше, если связь между структурой и функцией окажется слабее, чем могло показаться. Если нейромодуляторы могут освободить активность нейронов в цепи от строгих ограничений их архитектуры, значит, структура - это не судьба. Возможно, это не вызывало бы такого беспокойства, если бы нейромодуляция была явлением, характерным только для стоматогастрального ганглия. Однако это далеко от истины. Мозг постоянно купается в модулирующих молекулах. У разных видов нейромодуляторы отвечают за все - от сна до обучения, от линьки до еды. Нейромодуляция - это правило, а не исключение.

С помощью математического моделирования схем, которые она изучает, Мардер изучила не только то, как различные формы поведения возникают на основе одной и той же структуры, но и то, как различные структуры могут вызывать одинаковые формы поведения. В частности, у каждого омара схема кишечника имеет несколько иную конфигурацию: связи могут быть построены сильнее или слабее у одного животного по сравнению с другим. Смоделировав 20 миллионов возможных ганглиозных схем, лаборатория Мардера обнаружила, что подавляющее большинство из них не способно создавать нужные ритмы, но некоторые специфические конфигурации - да. Каждый омар, благодаря определенной комбинации генов и развития, находит свой путь к одной из этих функционирующих конфигураций. Эта работа делает важный вывод об индивидуальных мозгах: разнообразие не всегда означает различие. То, что может выглядеть как отклонение от структурной нормы, на самом деле может быть совершенно правильным способом достижения тех же результатов. То, что эти разнообразные структуры создают одни и те же ритмы, добавляет еще один нюанс к взаимосвязи структуры и функции.

Работа Мардер не только показывает ограниченность структуры для понимания функций, но и свидетельствует о ее необходимости. Работа всей ее жизни - и все те открытия, которые она сделала, - построена на основе коннектома. Без этой подробной структурной информации невозможно исследовать взаимосвязь между структурой и функцией. Как писал Мардер в 2012 г.: "Подробные анатомические данные бесценны. Ни одна схема не может быть полностью понята без диаграммы связей". Однако далее она отмечает, что "диаграмма связности - это только необходимое начало, но не ответ на вопрос". Другими словами, когда речь идет о понимании мозга, знание структуры нервной системы одновременно и совершенно необходимо, и совершенно недостаточно.

Таким образом, возможно, не удастся воплотить в жизнь идею Кахаля об интуитивном понимании функций нервной системы на основе одних лишь размышлений о ее структуре. Но работа по поиску и формализации этой структуры по-прежнему является важной предпосылкой для дальнейшего понимания мозга. Инновационные методы сбора данных о коннектоме расцветают, а формализмы теории графов готовы принять и переварить эти данные.

 

Глава 10. Принятие рациональных решений.

Вероятность и правило Байеса

 

Когда Герман фон Гельмгольц был маленьким ребенком в Пруссии начала XIX века, он гулял с матерью по своему родному городу Потсдаму. Проходя мимо стойки с маленькими куклами, выстроенными в ряд, он попросил ее протянуть руку и взять одну для него. Однако его мать не согласилась, но не из-за пренебрежения или недисциплинированности. Скорее, она не могла дотянуться до кукол, потому что их не было. То, что переживал юный Гельмгольц, было иллюзией; "куклы", которых он видел рядом с собой, на самом деле были людьми, находящимися далеко, на вершине городской церковной башни. "Эти