[238] (эта работа в итоге привела к Нобелевской премии в 2017 году) и обучении.
Благодаря ученому Бензеру возродился научный интерес к изучению мух в XX веке.
Начиная с 1980-х годов, с усовершенствованием молекулярных техник изучения и манипулирования генами этих и других видов, наши возможности в исследовании мозга существенно расширились. Новые инструменты позволили визуализировать нейроны и нейронные структуры такими способами, о которых в прошлом даже не мечтали. Были составлены новые карты мозга и нервной системы, последние из которых позволили идентифицировать ранее неизвестные типы нейронов на основе экспрессии генов[239], а не формы клеток. Объектом интенсивного изучения стали новые организмы, такие как крошечные рыбки данио-рерио, выбранные в качестве модели в биологии развития позвоночных. Стали доступны новые способы манипулирования нейронной активностью: от мышей, у которых был удален определенный ген, до системы у дрозофил для экспрессии любого гена из любого организма практически в любой ткани. Новейшее достижение – использование оптогенетики для буквального включения и выключения нейронов, а также инструмент редактирования генома CRISPR/Cas9, который, в принципе, позволяет манипулировать любым известным геном практически у любого животного[240].
В 1993 году, через семь лет после публикации полной функциональной карты червя-нематоды, Фрэнсис Крик и Эдвард Джонс выпустили статью в Nature, которая, начиная с ее названия, оплакивала «Отсталость человеческой нейроанатомии» [33]. Они были поражены исследованием основных путей в коре макаки, результаты которого двумя годами ранее представили Дэниел Феллман и Дэвид Ван Эссен [34].
Мы до сих пор не понимаем подробностей того, как устроен мозг, за исключением простейших организмов, таких как червь.
Эта статья включала чрезвычайно сложную и многократно воспроизводимую сводную диаграмму, показывающую 187 высокоуровневых связей между 32 выявленными зрительными областями. В отличие от детального понимания мозга макаки, Крик и Джонс описали «постыдную» скудность современных знаний о человеческом мозге:
«Условно можно предположить, что карта связей зрительных областей коры головного мозга человека будет аналогична карте макаки, но это предположение необходимо проверить. Для других кортикальных областей, таких как языковые, мы не можем использовать мозг макаки даже в качестве грубого ориентира, поскольку в нем, вероятно, нет сопоставимых областей.
Невыносимо, что мы не располагаем такой информацией о человеческом мозге. Без нее почти нет надежды на точное понимание функционирования человеческого мозга – разве что на самое приблизительное».
В то время не существовало специального понятия для того, что описывали Крик и Джонс. Но в 2005 году два исследователя придумали по отдельности термин, обозначающий «всеобъемлющее структурное описание сети элементов и связей, образующих человеческий мозг»[241] [35].
Это было слово «коннектом», одно из многочисленных слов на «-ом» и «-омика», наводнивших науку после появления генома и геномики в повседневном языке [36]. Проще говоря, слова, оканчивающиеся на «-ом», – это то, что группирует вместе каждый пример конкретного биологического явления, в то время как «-омика» – это научные области, занимающиеся изучением конкретных «-омов».
Отчасти в результате инициативы Крика была начата целая серия проектов, чтобы предоставить ученым базу для описания нейроанатомии мозга у разных животных: от мух до пиявок, от мышей до людей. В применении к более крупным животным, включая человека, термин «коннектом» часто используется довольно свободно. Под ним имеют в виду карту крупномасштабных связей между областями мозга, как у макаки, которая раздразнила Крика и Джонса, а не истинный коннектом, который был бы основан на отдельных клетках и их синапсах[242]. В таких картах есть четыре различных уровня связей: макросоединения между областями мозга, мезосоединения между типами нейронов, микросоединения между отдельными нейронами и наносоединения в синапсах [37]. Каждый из них говорит о разном, но не всегда ясно, какой тип коннектома ученые имеют в виду, когда описывают свои исследования.
Например, в 2009 году Томас Инсел, глава Национального института психического здоровья (NIMH), заявил, что американский проект «Коннектом человека» будет «отображать полную карту связей живого человеческого мозга» [38]. На самом деле проект не изучает нейроанатомию, а вместо этого использует сканирование мозга (относительно неточный метод), чтобы посмотреть на нервы (так называемые пучки большого количества нейронов), которые соединяют области мозга. Данный коннектом состоит из макросоединений. Первые результаты проекта показали, что в мозге испытуемых с более «позитивными» переменными, такими как образование, выносливость и хорошая память, наблюдалась «более сильная коннективность», чем в мозг людей с «негативными» переменными, такими как агрессивность, курение или злоупотребление алкоголем [39]. Являются ли эти факторы – если они существуют – причинами или следствиями предполагаемых поведенческих различий, невозможно определить из полученных данных. Утверждения о том, что исследование выявило различия в мозге мужчин и женщин, горячо оспаривались [40].
Проект «Коннетом человека» использует сканирование мозга для просмотра нервов.
С точки зрения реального объяснения того, как работает мозг, эти широкие измерения почти ничего не дают для понимания – разрешение технологии визуализации, используемой в проекте «Коннектом человека», составляет порядка миллионов нейронов. Как выразились два исследователя коннектомики, «ни одна из ее многочисленных целей не связана с описанием системы синаптических связей мозга» [41].
Нам еще очень и очень далеко до полного коннектома мозга млекопитающих, основанного на микро– и наносвязях. Были описаны коннектомы сетчатки мыши, а также коннектомы клеточного уровня из крошечных частей мозга мыши, но они подкрепляют ошибочное впечатление, что наш мозг состоит из анатомически различных модулей. На самом деле существуют нейроны, которые связывают целые области, а иногда и весь мозг.
Недавнее исследование изображений пяти нейронов, опоясывающих мозг мыши, показало, что их общая длина достигает более 30 см [42]. Анализ функции даже такого небольшого числа нейронов, которые не просто выступают в роли ретрансляторов, а взаимодействуют со многими областями мозга, будет технически и интеллектуально сложным. Например, исследователи продемонстрировали на примере коннектома из 1000 нейронов мыши, как дальняя нейронная связь осуществляется так называемыми проекционными (релейными) нейронами[243] – у мыши они образуют сеть длиной более семидесяти пяти метров (таких клеток в вашем мозге миллионы) [43].
Существуют нейроны, которые связывают весь мозг.
Нет никаких планов по созданию полного коннектома на уровне синапса кого-либо из млекопитающих. Технические проблемы слишком велики. Даже в активно изучаемом мозге мыши у нас есть показатели количества клеток (даже не их взаимосвязей) для всего лишь 4 % от предполагаемых 737 областей мозга. И цифры для этих областей могут сильно варьироваться от исследования к исследованию – вплоть до тридцати раз. Недавние попытки использовать алгоритмы для подсчета количества клеток в каждой области мозга мыши дают некоторое представление, но ничто не заменит подробного знания на клеточном уровне о том, как организован мозг даже обычной мыши [44]. И пока мы не можем похвастаться, что эта цель не за горами. Что же касается человеческого мозга с его 90 миллиардами нейронов, 100 триллионами синапсов и миллиардами глий (все эти цифры – догадки), то идея отображения его на уровене синапсов станет реальностью только в далеком будущем.
Тем не менее перспектива получить коннектомы того или иного типа некоторых видов весьма заманчива. В 2013 году ведущий американский нейробиолог Кори Баргманн, изучающая червей-нематод, написала эссе, в котором сделала вывод:
«Определение коннектома похоже на секвенирование[244] генома: когда геном доступен, невозможно уже представить жизнь без него. Однако как для генома, так и для коннектома структура не решает вопрос о функции. Структура дает лучший обзор, представление о границах проблемы, набор правдоподобных гипотез и фундамент для проверки этих гипотез с большей точностью и мощью» [45].
Как объяснила Баргманн, широко распространенное предположение – а может, догма или просто надежда, – лежащее в основе работы над коннектомами, состоит в том, что описание карты электрических связей конкретного организма или одной части его мозга позволит по-новому взглянуть на то, как активность нейронных цепей рождает поведение и ощущения. Эта неявная гипотеза существовала с самого начала – в лаборатории Бреннера 302 реконструкции каждого из нейронов червя были помещены в серию портативных компьютеров, которые шутливо пометили как «разум червя» [46]. Вот только это не было шуткой.
Некоторые исследователи полагают, что коннектомы дали нейронауке великую объяснительную теорию, которой так не хватало. В 2016 году Ларри Свенсон и Джефф Лихтман заявили, что создание «биологически обоснованной, динамической или функциональной модели карты электрических связей нервной системы» само по себе заложит «мощную концептуальную основу, аналогичную периодической таблице элементов для химии, модели двойной спирали ДНК для молекулярной биологии или модели кровеносной системы Гарвея