Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем - Мигель Николелис Страница 20

Хотя эти результаты уже были весьма обнадеживающими, самый большой сюрприз ждал нас чуть позже, когда Эрик начал анализировать записи электрической активности отдельных нейронов в соматосенсорной коре мозга наших крыс, следивших за инфракрасным излучением. Значительная доля их нейронов, которые раньше возбуждались только тогда, когда животные касались чего-либо усиками, теперь приобрели способность реагировать на присутствие в окружающей среде инфракрасного излучения (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Отдельные нейроны соматосенсорной коры (S1, A) отвечают и на механическую стимуляцию усиков на мордочке животного (верхняя полоса, B), и на IR-излучение в случае крыс с имплантированным нейропротезом (нижняя полоса, C), передающим электрический стимул на первичную соматосенсорную кору (S1). Верхняя полоса, A: Уплощенные срезы коры в S1 полушариях мозга одного животного демонстрируют расположение электродов. Звездочки указывают места вживления электродов. B: Очень стойкие ответы для 15 нейронов S1 у того же животного, вызванные сенсорным стимулом и сопровождающиеся механическими отклонениями усиков, проявляются в виде четких пиков электрической активности нейронов на перистимулярных временных гистограммах (PSTH). Такой тактильный ответ нейронов был получен после обучения животных распознанию IR-сигналов. Ширина столбика гистограммы PSTH — 1 мс. C: PSTH описывает электрический ответ нейронов S1 на сигналы IR-стимуляции. Стрелки указывают на расположение нейронов в коре S1. Правый график отражает z-значение для потенциалов действия как функцию числа активированных стимулирующих каналов. Это типичная картина, при которой максимальный ответ наблюдается при одновременной активации двух каналов. C модификациями из работы: Hartmann K. et al. Embedding a Novel Representation of Infrared Light in the Adult Rat Somatosensory Cortex through a Sensory Neuroprosthesis. Journal of Neuroscience 36, no. 8, February 2016: 2406–24.

В следующем эксперименте мы использовали четыре сенсора инфракрасного излучения, позволявшие получать панорамное изображение цилиндра. В этой серии экспериментов для освоения такой же задачи крысам потребовалось всего три дня, а не четыре недели. Контрольные эксперименты показали, что даже при изменении картины пространственного взаимодействия между выходами инфракрасных сенсоров и различными подобластями соматосенсорной коры мозга крысы быстро переучивались отслеживать инфракрасные лучи и успешно находить с их помощью лакомство более чем в 90 % случаев.

В целом эти две группы экспериментов четко подтвердили возможность приобретения крысами нового тактильного ощущения. Примечательно, что это происходило не за счет уже существовавшего репертуара возможностей: к лету 2016 года Эрик показал, что ни одна из крыс, способных распознавать инфракрасное излучение, не утратила способности использовать усики для выполнения стандартных задач по тактильной дискриминации, которые они выполняют с таким мастерством. Иными словами, участок коры, который ранее занимался исключительно обработкой одного важнейшего типа сигнала (в данном случае тактильной информации), превратился в мультифункциональный участок мозга, хотя за долгую эволюционную историю этого живучего вида ни одна крыса никогда не ориентировалась на сигналы такого рода. В целом можно сказать, что благодаря использованию сенсорных нейропротезов головной мозг наших модифицированных крыс получил способность создавать новые изображения окружающего мира на основании инфракрасных сигналов в дополнение к уже существующему тактильному представлению.

Как и результаты проекта «Снова ходить», наши эксперименты с крысами и инфракрасным излучением представляют собой весьма значимый новый этап в серии научных достижений в сфере выявления и характеризации ключевых функциональных принципов, определяющих работу человеческого мозга.

Такое увлечение нейронными сетями головного мозга восходит к истокам современной нейробиологии. Основателем этого направления можно считать гениального британского ученого XIX века Томаса Юнга — настоящего человека эпохи Возрождения, который, среди прочих своих достижений, провел ставший ныне классическим эксперимент с двумя щелями, показавший волновую природу света. Юнг сделал несколько открытий в области нейробиологии еще до того, как данная сфера науки получила свое название. Одним из его достижений в этой области было предложение трихроматической гипотезы для объяснения цветного зрения: Юнг утверждал, что сетчатка человеческого глаза может кодировать любой цвет с помощью лишь трех типов цветовых рецепторов, ответственных за восприятие света в частично перекрывающихся участках спектра. Согласно теории Юнга, это возможно благодаря соответствию профиля ответа каждого из этих трех типов рецепторов сетчатки колоколообразным зависимостям с максимумами в разных областях спектра (где их реакция на конкретный цвет максимальная) и тому, что все они частично перекрываются между собой (рис. 4.4). Это последнее замечание означает, что каждый рецептор отвечает также и на многие другие цвета, но в меньшей степени. Время показало, что Юнг был абсолютно прав, хоть и выдвинул все эти гипотезы, даже не дотрагиваясь до сетчатки глаза, чтобы провести ее гистологический анализ.

Рис. 4.4. Схематичное представление классической трихроматической теории Томаса Юнга. Nicolelis M. A. L. Brain-Machine Interfaces to Restore Motor Function and Probe Neural Circuits. Nature Reviews Neuroscience 4, no. 5, May 2003: 417–22. Портрет Юнга: Национальная портретная галерея Лондона.

Модель Юнга для функции нейронов была первым примером популяционной, или распределенной, модели нервной системы. В целом такая модель предполагает, что для реализации любой функции мозга требуется совместная активность большого количества нейронов, распределенных по многим областям мозга. Альтернативная модель, в рамках которой отдельные области мозга отвечают за отдельные неврологические функции, называется локализационной моделью. Подробный рассказ о двухсотлетнем противостоянии сторонников распределенной и локализационной моделей можно найти в моей предыдущей книге «За пределами границ». В данной книге достаточно лишь сказать, что для нахождения ответа на вопрос о том, какая из двух моделей лучше описывает способность мозга творить чудеса, потребовалось целых два столетия.

Наиболее твердые свидетельства в пользу справедливости распределенной модели были найдены за последние лет тридцать, когда нейробиологи получили технические возможности для детального изучения нейрофизиологических свойств мозгосетей у людей и животных в свободном состоянии. Благодаря внедрению новых нейрофизиологических методов и (в последние два десятилетия) различных способов визуализации мозга современная нейробиология все больше и больше приближается к пониманию того, что за работу мозга отвечают не отдельные нейроны, а популяции взаимодействующих нейронов, формирующих обширные нейронные сети. И в этом смысле в середине 2018 года мы наконец получили возможность утверждать, что гипотеза Юнга о человеческом мозге одержала окончательную победу.

Наиболее полные нейрофизиологические данные, подтверждающие идею о том, что распределенные популяции нейронов определяют истинные функциональные единицы мозга млекопитающих, включая наш, были получены с помощью одной из новых технологий для изучения свойств мозга животных, которая называется временной многоочаговой мультиэлектродной регистрацией (chronic multisite multielectrode recordings, CMMR). Я достаточно хорошо знаком с этой технологией: на протяжении пяти лет постдокторальной стажировки, проведенных в лаборатории Джона Чепина, одного из величайших американских нейрофизиологов за последние пятьдесят лет,