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

…немецко-американского биолога Рихарда Гольдшмидта… White et al., 1986.

…срезы толщиной около 50 нм – как раз достаточно, чтобы с уверенностью проследить путь большинства нейронных ветвей. В идеальном случае толщина среза должна равняться величине объемного разрешения для двухмерных изображений, получаемых с помощью электронного микроскопа. Тогда у создаваемого из них трехмерного изображения будет одно и то же объемное разрешение. Но резать так тонко невозможно, так что в третьем измерении картинка неизбежно будет иметь худшее разрешение.

…ставили одно и то же обозначение на поперечном сечении данного нейрона, различимом на длинной череде последовательно сделанных снимков. Они делали надписи маркерами на прозрачной ацетатной пленке, помещаемой на фотопластинки. Иногда процесс усложнялся: ученые следили за маршрутом сразу двух нейритов, идущих из разных мест и сходящихся в определенной точке. Выяснив, что эти отростки являются частью одного и того же нейрона, они отлистывали снимки назад и меняли все буквы на одном нейрите, относя его к нужному нейрону.

…где описывались 302 нейрона червя… Точнее, 282 соматических нейрона. Кроме них у бедняги есть 20 фарингальных нейронов, образующих почти независимую нервную систему (Albertson, Thomson, 1976). Исправить ошибки, устранить несоответствия и заполнить пробелы позже удалось другим исследователям (результаты их трудов см. в: Chen, Hall, Chklovskii, 2006). Эта исправленная версия опубликована на сайте Wormatlas.org.

…уползание червя после касания его головки. Chalfie et al., 1985.

Джон Файэла и Кристен Харрис. Fiala, 2005.

…представлять части нейритов в трех измерениях… Более толстый объект на снимке – коротенький сегмент дендрита, из него торчат дендритные шипики. Более тонкие объекты – части аксонов.

…примерно миллион человеко-часов… Helmstaedter, Briggman, Denk, 2008.

Этот метод называется машинным обучением… Как помочь компьютеру учиться? Первым делом придумайте алгоритм выполнения задачи, но заложите в него побольше изменяемых параметров. Алгоритм может выполнять задачу по-разному – в зависимости от того, какие параметры вы зададите. После этого придумайте, как количественно оценивать разницу между успехами человека и компьютера в обработке базы данных, с примерами. Эта оценка зависит от изменяемых параметров нашей компьютерной программы. Ее называют функцией стоимости или объективной функцией обучения. Следует минимизировать стоимость с учетом изменяемых параметров. Чтобы это сделать, требуется третий – завершающий – этап создания программы: нужно отыскать оптимальные значения параметров. Часто это делается методом последовательных приближений. Программа сама находит то небольшое изменение параметров, которое снижает функцию стоимости. Процесс повторяется, пока не будет достигнуто минимально возможное значение.

Вирен Джейн и Шрини Турага. Jain, Seung, Turaga, 2010. с. 211 Бывалые хакеры… Kelly, 1994.

…о новом направлении исследований – усилении интеллекта… По замечанию Энгельбарта, честь создания этого термина принадлежит Уильяму Россу Эшби (William Ross Ashby), одному из пионеров кибернетики.

…становится возможным путем интернет-краудсорсинга привлекать к выполнению научных задач огромное количество людей по всему миру. Я не стал говорить, что люди тоже допускают ошибки, прослеживая маршруты нейритов, пускай и реже, чем их совершают компьютеры. В работе Helmstaedter, Briggman, Denk (2011) показано, как объединить усилия множества людей для увеличения точности: пример так называемой «мудрости толпы».

…стоимость расшифровки одной буквы в цепочке ДНК… Shendure et al., 2004.

Глава 10. Вырезание фрагментов

…освоить бескрайний мозговой лес… Вероятно, эту метафору впервые использовал Кахаль: он описывал мозг как «джунгли, в чьей непроходимой чаще заблудилось так много первопроходцев» (Ramón Cajal, 1989).

…она также играет роль в развитии болезни Хантингтона… Utter, Basso, 2008.

…имеет очень важное значение для функционирования мозга… Повинюсь: в этой книге я выступаю как отъявленный кортикальный шовинист. Для простоты картины я говорю о локализации умственно-психических функций в пределах кортикальных областей, но такой подход, вероятно, наивен. У каждой из зон мозга есть свои поклонники, которые могут отлично объяснить, почему их участок невероятно важен, даже если он меньше коры по размерам. Фанаты базальных ядер построили карты их связей с корой головного мозга и таламусом, чтобы понять, как эти зоны мозга взаимодействуют в ходе выполнения умственно-психических функций (Middleton, Strick, 2000).

…каждая полоска представляет один класс… Masland, 2001. На иллюстрации отражена классификация нейронов, применимая для сетчатки глаза обобщенного млекопитающего. Некоторые более крупные типы нейронов на ней не показаны. Я использовал термины «класс» и «тип» для разграничения двух таксономических уровней, но мое использование этих терминов никоим образом не является стандартным для нейронауки. Классифицируя флору и фауну, биологи пользуются официальными терминами «вид», «род», «семейство», «отряд» и т. п. Такую же схему не помешает применять и при классификации нейронов.

…могут различить в ней шесть слоев. Согласно общепринятой концепции, основная часть коры состоит из шести слоев и называется неокортексом или изокортексом. Приставка «нео-» дает отсылку к эволюционной теории, предполагающей, что шестислойная кора – самое новое образование в мозгу. Те, кто не верит в эту теорию, предпочитают использовать приставку «изо-», подчеркивающую, что все фрагменты шестислойной коры выглядят похоже. У других частей коры головного мозга число слоев иное (меньше или больше шести). В совокупности все эти части именуются аллокортексом. Яркий пример такой части – гиппокамп.

…в каждом участке мозга в пределах одного поля расположение и количество слоев одинаково… Распределение тел клеток по слоям именуют цитоархитектурой, «цито-» как раз и означает «клетка».

Оскар и Сесиль Фогт. Zilles, Amunts, 2010. Они помечали вещество под названием миелин, жирное соединение, укутывающее собой многие аксоны. В итоге они сумели разглядеть миелоархитектуру (а не цитоархитектуру, которую изучал Бродман).

…сэр Грэфтон Смит… Смит был интересным человеком, он занимался одновременно нейроанатомией и археологией, в частности изучал мозг египетских мумий с помощью рентгеновских лучей.

Персиваль Бейли и Герхардт фон Бонин. Они использовали двойной слепой метод[23] в попытке разобраться, можно ли надежным образом разграничить кортикальные области, основываясь на цитоархитектуре. Результат оказался по большей части отрицательным (Bailey, von Bonin, 1951).

…в одной только коре головного мозга содержатся нейроны сотен типов. Stevens, 1998.

Нейробиологи продолжают вести споры об их возможной классификации. Nelson, Sugino, Hempel, 2006.

Через них проходит великое множество «проводов», соединяющих между собой нейроны… Следует пояснить мою идею. Возможно, имеет смысл рассматривать борозды коры как ее «суставы и сочленения». Нейроны по обеим сторонам борозды соединены между собой более длинными аксонами, чем нейроны, находящиеся в пределах одной извилины. Согласно принципу экономии проводов, противоположные стороны борозды должны соединяться как можно меньшим их количеством, и рассечение по борозде будет подобно разрезанию по суставам. Поэтому вполне оправданна практика МРТ-исследователей, мысленно привязывающих кортикальные области к тем или иным бороздам, поскольку они не могут увидеть распределение слоев, на которое опирался Бродман.

В отличие от птичьей тушки коннектомы можно рассекать более абстрактно… Если мы хотим сохранить сократовскую метафору, можно придумать классификацию, основанную на разрезах, которые осуществляются не в трехмерном, а в многомерном пространстве.

…на сто с лишним типов. White et al., 1986.

Сведем все нейроны одного типа в единый узел. Там же.

Связи имеют непосредственное отношение к функциям… Важно также определять нейронные типы по молекулярным критериям – например, по экспрессии определенного гена или генов (Nelson, Sugino и Hempel (2006). Отличный пример, связанный с сетчаткой глаза, приводят Ким и др. (2008). Такая молекулярная дефиниция полезна для контроля распределения и относительного содержания нейронных типов и для того, чтобы лучше понять, как эти нейронные типы возникают в ходе развития организма. Как я уже говорил, нейроны одного типа должны выполнять одни и те же функции, измерение их импульсов это демонстрирует. А следовательно, можно ожидать, что три этих определения нейронных типов (основанные на свойствах молекул, на схеме связей и на активности) в идеальном случае должны совпасть друг с другом. Эти три определения как бы параллельны трем значениям термина «нейрон», разграниченным Гольджи в его нобелевской лекции. Он подчеркнул, что нейрон должен являться эмбриологической, анатомической и функциональной единицей, а затем уж перешел к вопросам его сущности.