The Atlantic: неврологи открыли феномен, который они не могут объяснить

«Ученые хотят понять, что происходит, но в данном конкретном случае мы запутались»

Автор: Эд Йонг

Карл Шуновер и Эндрю Финк в замешательстве. Как неврологи, они знают, что мозг должен быть гибким, но не слишком. Он должен перестраиваться под новый опыт, но при этом последовательно представлять особенности внешнего мира. Как? Относительно простое объяснение, которое можно найти в учебниках по неврологии, заключается в том, что определенные группы нейронов надежно срабатывают, когда их владелец чувствует запах розы, видит закат или слышит звонок. Эти репрезентации — паттерны нейронной реакции — предположительно остаются неизменными от одного момента к другому. Но, как обнаружили Шуновер, Финк и другие специалисты, иногда это не так. Они меняются, причем в запутанной и неожиданной степени.

Шуновер, Финк и их коллеги из Колумбийского университета давали мышам нюхать одни и те же запахи в течение нескольких дней и недель и регистрировали активность нейронов в пириформной коре головного мозга грызунов — области мозга, участвующей в распознавании запахов. В определенный момент каждый запах вызывал возбуждение определенной группы нейронов в этой области. Но со временем состав этих групп постепенно менялся. Одни нейроны переставали реагировать на запахи, другие начинали. Через месяц каждая группа почти полностью изменилась. Можно сказать так: нейроны, которые представляли запах яблока в мае, и нейроны, которые представляли тот же запах в июне, отличались друг от друга так же, как нейроны, представляющие запахи яблок и травы в одно и то же время.

Конечно, это всего лишь одно исследование, проведенное на одной области мозга у мышей. Но другие ученые показали, что такое же явление, называемое репрезентативным дрейфом, происходит не только в пириформной коре, но и во многих других областях мозга. Существование феномена очевидно; все остальное — загадка. Шуновер и Финк сказали мне, что они не знают, почему это происходит, что это значит, как мозг справляется с этим, и какая часть мозга ведет себя подобным образом. Как животные могут обрести какой-либо устойчивый смысл мира, если их нейронные реакции на этот мир находятся в постоянном движении? Если такая текучка — обычное явление, «в мозге должны существовать неизученные и даже невообразимые механизмы, которые позволяют ему не отставать от этого», — сказал Шуновер. «Ученые должны знать, что происходит, но в данном конкретном случае мы глубоко запутались. Мы ожидаем, что на то, чтобы разобраться в этом, уйдет много лет».

Шуноверу и Финку потребовались годы, чтобы подтвердить, что репрезентативный дрейф существует в пириформной коре. Им нужно было разработать хирургическую технику для вживления электродов в мозг мыши и, что очень важно, удерживать их на месте в течение многих недель. Только тогда они могли быть уверены, что дрейф, который они наблюдали, действительно вызван изменениями в нейронах, а не небольшими движениями самих электродов. Они начали работать над этим в 2014 году. К 2018 году они были уверены, что смогут получить стабильные записи. Затем они позволили мышам с имплантами периодически вдыхать различные запахи.

Команда показала, что если нейрон в пириформной коре реагирует на определенный запах, то вероятность того, что он будет реагировать на него и через месяц, составляет всего один к 15. В любой момент времени в ответ на каждый запах срабатывает одинаковое количество нейронов, но их идентичность меняется. Ежедневные принюхивания могут замедлить скорость этого дрейфа, но не устранить его. Также, как ни странно, не помогает и обучение: если мыши ассоциировали запах с легким ударом током, нейроны, представляющие этот запах, полностью менялись, даже если мыши продолжали его избегать. «В этой области преобладало мнение, что нейронные реакции в сенсорных областях стабильны во времени», — говорит Янив Зив, нейробиолог из Научного института Вейцмана, который не принимал участия в новом исследовании. «Это показывает, что это не так».

Шуновер сказал мне, что «намеки на подобный эффект были по крайней мере 15 лет назад» во многих частях мозга. Гиппокамп, например, помогает животным ориентироваться в окружающей обстановке. Он содержит клетки места — нейроны, которые избирательно запускаются, когда их владелец входит в определенные места. Пройдите от своей кровати до входной двери, и разные клетки места будут срабатывать. Но эти предпочтения не являются фиксированными: Зив и другие исследователи показали, что места, на которые настроены эти клетки, могут меняться с течением времени.

В другом эксперименте Лора Дрисколл, нейробиолог, работающая сейчас в Стэнфорде, поместила мышей в виртуальный Т-образный лабиринт и научила их идти либо налево, либо направо. Эта простая задача зависит от задней теменной коры — области мозга, участвующей в пространственном мышлении. Дрисколл и ее коллеги обнаружили, что активность в этой области также дрейфует: Нейроны, которые срабатывали, когда мыши бежали по лабиринту, постепенно менялись, хотя выбор грызунов оставался неизменным.

Эти результаты удивили, но не слишком. Гиппокамп также участвует в обучении и кратковременной памяти. Можно было бы ожидать, что он будет перезаписывать сам себя и, таким образом, постоянно дрейфовать. «До сих пор наблюдения за дрейфом репрезентации были ограничены областями мозга, где мы могли с этим мириться» — говорит Шуновер. Пириформная кора отличается. Это сенсорный центр — область, которая позволяет мозгу воспринимать окружающие его стимулы. Она должна быть стабильной: Иначе как бы запахи могли быть знакомыми? Если репрезентативный дрейф может происходить в пириформной коре, он может быть распространен по всему мозгу.

Он может быть менее распространен в других сенсорных центрах, например, в зрительной коре, которая обрабатывает информацию, поступающую от глаз. Нейроны, реагирующие на запах травы, могут меняться от месяца к месяцу, но нейроны, реагирующие на вид травы, в основном остаются неизменными. Это может быть связано с тем, что зрительная кора очень хорошо организована. Смежные группы нейронов, как правило, представляют соседние части визуального пространства перед нами, и такое упорядоченное отображение может сдерживать нейронные реакции от слишком большого смещения. Но это может быть верно только для простых визуальных стимулов, таких как линии или полосы. Даже в зрительной коре Зив обнаружил признаки дрейфа репрезентативности, когда мыши смотрели одни и те же фильмы в течение многих дней.

«У нас есть предположение, что это должно быть скорее правилом, чем исключением», — сказал Шуновер. «Теперь нам предстоит найти места, где этого не происходит».

Как мозг узнает, что чувствует нос или что видят глаза, если нейронные реакции на запахи и зрение постоянно меняются? Одна из возможностей заключается в том, что он каким-то образом корректирует смещение. Например, части мозга, связанные с пириформной корой, могут постепенно обновлять свое понимание того, что означает нейронная активность пириформной коры. Вся система меняется, но делает это вместе.

Другая возможность заключается в том, что некоторые высокоуровневые характеристики стреляющих нейронов остаются неизменными, даже если конкретные активные нейроны меняются. В качестве простой аналогии: «отдельные люди в популяции могут менять свое мнение, сохраняя при этом общий консенсус», — сказал мне Тимоти О’Лири, нейробиолог из Кембриджского университета. «Количество способов представления одного и того же сигнала в большой популяции также велико, поэтому нейронному коду есть куда двигаться». Хотя некоторые исследователи нашли признаки этих стабильных, высокоуровневых паттернов в других дрейфующих частях мозга, когда Шуновер и Финк попытались сделать это в пириформной коре, они не смогли. Ни они, ни их коллеги не могут с уверенностью сказать, как мозг справляется с репрезентативным дрейфом. Они также не знают, почему это вообще происходит.

Дрейф может быть просто ошибкой нервной системы — проблемой, которую нужно решать. «Связи во многих частях мозга постоянно формируются и разрушаются, и каждый нейрон сам по себе постоянно перерабатывает клеточный материал, — говорит О’Лири. Возможно, подобная система — серая, липкая версия корабля Тесея — обречена со временем дрейфовать. Но эта идея «немного слаба», — сказал мне О’Лири. Нервная система может поддерживать точные и целенаправленные связи, например, между мышцами и нервами, которые их контролируют. Дрейф не кажется неизбежным.

Напротив, дрейф может быть полезен. Постоянно изменяя способ хранения существующей информации, нервная система может лучше усваивать новый материал. «Информация, которая не является постоянно полезной, забывается, а информация, которая продолжает быть полезной, обновляется благодаря дрейфу», — говорит Дрисколл, который сейчас проверяет эту идею с помощью искусственных сетей. «Чем больше я думал о дрейфе, тем больше убеждался, что это то, что мы можем наблюдать в мозге». Шуноверу тоже нравится эта идея: «Наша любимая интерпретация заключается в том, что дрейф — это проявление обучения», — сказал он мне. «Это не само обучение, это след, который появляется в результате обучения».

Шуновер и Финк сравнивают открытие репрезентативного дрейфа с работой астронома Веры Рубин. В 1970-х годах Рубин и ее коллега Кент Форд заметили, что некоторые галактики вращаются неожиданным образом, что, казалось, нарушает законы движения Ньютона. Ее анализ этих данных дал первое прямое доказательство существования темной материи, которая составляет большую часть вещества во Вселенной, но никогда не наблюдалась. Аналогичным образом, дрейф указывает на то, что «под капотом происходит что-то еще, и мы пока не знаем, что именно», — говорит Шуновер.

Но сравнение между дрейфом и вращающимися галактиками Рубин не удается в одном важном аспекте. Рубин знала, что у нее есть что-то странное, потому что она могла сравнить свои данные с ньютоновской механикой — прочной и тщательно описанной теорией физики. В нейронауке такой теории не существует. У этой области есть очень четкое представление о том, как работают отдельные нейроны, но дело становится гораздо более запутанным, когда речь заходит о нейронных сетях, мозге в целом или поведении целых животных.

Возьмем, к примеру, саму идею о том, что определенные паттерны срабатывания нейронов могут представлять различные запахи, виды или звуки. Эта связь кажется достаточно простой — с точки зрения экспериментатора, который подвергает животное воздействию стимула, а затем ищет активные нейроны в его мозге. Но самому мозгу приходится работать только с половиной этого уравнения — пучком активных нейронов, чтобы понять, что могло вызвать эту активность. «То, что мы можем расшифровать эту информацию, еще не означает, что это делает мозг», — говорит Джон Кракауэр, нейробиолог из Университета Джона Хопкинса.

По этой причине Кракауэр говорит, что исследование Шуновера и Финка, хотя и является «техническим прогрессом», также не совсем корректно. Идея дрейфа, говорит он, удивительна и захватывающа только в сравнении с безыскусной хрестоматийной идеей репрезентаций, которая никогда не была теоретически обоснованной и уже ранее подвергалась сомнению. И это более широкая проблема для всей области, сказал он мне. «Основная нейронаука опирается на очень конкретные методы и результаты и упаковывает их в туманное облако концепций, которые лишь едва согласованы в этой области», — сказал он. «Во многих областях нейронауки предпосылки остаются неисследованными, но все остальное безупречно».

Финк согласен с тем, что идея стабильных репрезентаций никогда не была теорией — скорее «молчаливым предположением». Как это может быть не так? Ну, это не так. И что теперь?

«В этой области существует настоящий спрос на новые идеи», — сказал мне Финк, и именно поэтому, по его мнению, он и Шуновер еще не столкнулись с тем злобным отпором, с которым обычно сталкиваются ученые с данными, разрушающими догмы. «Люди действительно отчаянно нуждаются в теориях. Эта область настолько незрелая концептуально, что мы все еще находимся на этапе сбора фактов и не можем ничего исключить». Собственные представления нейронауки о мозге все еще имеют много места для дрейфа.

Оригинал: The Atlantic

Похожие Записи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Последние <span>истории</span>

Поиск описаний функциональности, введя ключевое слово и нажмите enter, чтобы начать поиск.