Одна из проблем в анализе работы мозга – сложность, которая обнаруживается в поведении даже простейших нейронных цепей. Такой урок был извлечен из работы Ив Мардер, американского нейробиолога из Брайденского университета, которая посвятила свою блестящую научную карьеру изучению желудка ракообразных [64]. Эта структура перемалывает пищу, используя два ритма, сформированных примерно тридцатью нейронами (точное число отличается от вида к виду) и организованных в три цепи. Каждая содержит пример генератора центральных паттернов упорядоченной активности[250] – набора биологических компонентов, спонтанно запускающего многократную реакцию в отсутствие сенсорного стимула и, прежде всего, без признаков того, чтобы данный ритм был задан снаружи или внутри какой-либо отдельной клетки [65]. Ритм возникает из активности сети.
Одна из проблем в анализе работы мозга – сложность, которая обнаруживается в поведении даже простейших нейронных цепей.
Несмотря на наличие четко установленного коннектома из тридцати с лишним нейронов, участвующих в так называемом стоматогастральном ганглии[251] ракообразных, группа Мардер не нашла точного объяснения, как именно функционируют даже небольшие части данной системы. Трудности, связанные с пониманием таких, казалось бы, простых генераторов центральных паттернов, были выявлены уже давно. В 1980 году нейробиолог Аллен Селверстон опубликовал широко обсуждаемую статью под названием «Понятны ли генераторы центральных паттернов упорядоченной активности?», где утверждал, что ключевой проблемой является выявление природы и функций компонентов в подобных нейронных цепях [66]. Несмотря на увеличение вычислительной мощности техники моделирования и более высокий уровень точности приборов, идентифицирующих и регистрирующих активность нейронов, ситуация продолжила усугуляться в течение последних сорока лет.
Работа Мардер продемонстрировала, что активность нейронов может быть изменена с помощью нейромодуляторов – нейропептидов и других соединений, которые выделяются наряду с нейромедиаторами и функционируют как относительно медленно действующие мини-гормоны, локально изменяющие активность соседних нейронов [67]. Кроме того, на работу каждого нейрона влияет не только его идентичность (то есть гены, определяющие его положение и функцию), но и его предшествующая активность [68]. У червей-нематод нейромодуляция также может объяснить длительные индивидуальные различия в поведении между животными с одинаковыми картами нейронных связей – личностью, если хотите [69]. Один и тот же нейрон у разных животных также может проявлять очень разные паттерны активности. Характеристики каждой клетки могут быть очень пластичными, поскольку со временем она меняет свой состав и функцию. Как выразилась Мардер, нейрон подобен самолету, который летит на высоте и одновременно заменяет свои готовые компоненты запчастями, созданными прямо на борту [70]. Не многие компьютеры способны на такое.
Оказывается, тесной связи между структурой нейронной цепи и конкретной реакцией, о которой долгое время говорили многие нейробиологи, не существует. Используя компьютерное моделирование реальных электрофизиологических данных, группа Мардер показала, что есть множество различных наборов активности в отдельных нейронах, которые могут производить сходную общую активность, когда соединены вместе [71]. Вы не можете просто предположить, что одинаковое поведение задействует одну и ту же структуру или один и тот же паттерн нейронной активности. Кроме того, функция цепи может переключаться из одного режима в другой, поскольку множественные связи между одной и той же парой нейронов изменяются в результате активностью клеток в цепи. Одна и та же сеть может порождать абсолютно разное поведение, в то время как одно и то же поведение может быть произведено абсолютно разными цепями [72]. Десятилетия работы над коннектомом нескольких десятков нейронов, образующих генератор центральных паттернов в стоматогастральной системе омара, с использованием методов электрофизиологии, клеточной биологии и обширного компьютерного моделирования не дали исчерпывающего объяснения, как возникают ее ограниченные функции [73]. Этот жестокий, разочаровывающий факт очень показателен по отношению ко всем утверждениям о мозге.
Один и тот же нейрон у животных может проявлять разную активность.
Даже функция таких цепей, как обнаруживающие ошибки клетки сетчатки Барлоу – простой, хорошо изученный набор нейронов с интуитивно понятной функцией, – не полностью ясна на вычислительном уровне. Существуют две конкурирующие модели, которые объясняют, что делают клетки и как они связаны между собой (одна построена на примере долгоносика, другая – кролика). Сторонники этих моделей бьются над ними уже более полувека, а вопрос до сих пор не решен [74]. В 2017 году сообщили о коннектоме нейронного субстрата для обнаружения движения у дрозофилы, включая информацию о том, в каких синапсах было отмечено возбуждение, а в каких – торможение [75]. Даже это не внесло ясности, какая же из двух моделей верна.
Коннектома недостаточно, чтобы объяснить, как работает вся система. Характеристика 302 нейронов нервной системы червя-нематоды помогла обнаружить нейроны, участвующие в порождении различных видов поведения, включая поиск пищи, кормление и откладывание яиц. И все же, поскольку функциональная карта червя являлась просто анатомическим описанием, было невозможно узнать, как именно взаимодействуют эти клетки. Понимание химических и электрических связей между нейронами необходимо для построения гипотез и проверки многих альтернативных функциональных выходов нейронных цепей.
У червя-нематоды были обнаружены нейроны для поиска пищи, кормления и откладывания яиц.
В будущем такие исследования, возможно, позволят составить функциональные карты ограниченных областей мозга млекопитающих. В недавней реконструкции крошечной части мозга мыши, проведенной исследователями из Института Макса Планка в Германии, использовали искусственный интеллект и сто студентов-аннотаторов для выявления подтипов тормозящих и возбуждающих нейронов по данным коннектомики. Сложность, которая была обнаружена, была ошеломляющей. Маленькая часть мозга, которую они изучали, составляла чуть меньше 1/10 миллиметра с каждой стороны. Было всего 89 нейронов, клеточные тела которых располагались в этом пространстве, что составляло менее 3 % от общей наблюдаемой «проводки» около 70 мм длиной. Но рядом с данными клетками было втиснуто 2,7 м связующих «проводов» от других нейронов, тела которых были расположены вне исследуемой области. В общей сложности исследуемая крошечная область мозга мыши имела 6979 пресинаптических и 3719 постсинаптических участков, в каждом из которых было по крайней мере 10 синапсов, что составляло в общей сложности 153 171 синапс.
Вспомните, что во всем мозге мыши насчитывается около 70 миллионов нейронов [76].
Проблема понимания принципов функционирования даже простых нервных систем огромна. Группа Мардер показала, что генераторы центральных паттернов упорядоченной активности у разных крабов одного и того же вида, с точно такой же функциональной картой, могут по-разному реагировать на изменения кислотности. А отдельные черви-нематоды, с одним и тем же коннектомом, на одном и том же уровне развития, производят отличающиеся изменения активности электрических синапсов в ответ на голодание, что приводит к поведенческой пластичности и различным реакциям [77]. Не все черви, несмотря на их идентичную на первый взгляд роботоподобную структуру, ведут себя одинаково, в отличие от набора машин с одинаковыми электрическими схемами.
В мозге мыши насчитывается около 70 миллионов нейронов.
В 2015 году многонациональная группа под руководством Мануэля Циммера в Вене измерила активность около 130 сенсорных и моторных клеток в области головы червя [78]. Исследователи не обнаружили мозга у животного, но выяснили, что волны активности передаются по нервной системе, активируя различные группы нейронов – цепи, которые участвуют в определении скорости движения, например, даже если животное обездвижено. Как выразились в отчете, «внутреннее представление о поведении сохраняется, даже когда оно непосредственно не выполняется». Другими словами, червь думал о движении. Интересно, что, несмотря на результаты, полученные в ходе экспериментов на более сложных животных, группа не обнаружила каких-либо одноклеточных представлений сенсорных стимулов (осязание, запах) за пределами непосредственной рецепторной клетки. На данный момент у червя нет «бабушкиных клеток».
На момент написания этой книги единственным полноценным коннектомом мозга на уровне синапсов (за исключением червя-нематоды) был коннектом личинки асцидии. Она является представителем класса хордовых, поэтому, несмотря на внешность, более тесно связана с вами и мной, чем с беспозвоночным [79]. В ее крошечном мозге всего 177 нейронов и 6618 синапсов, и все же даже в столь маленькой структуре есть левосторонняя асимметрия, хотя количество клеток по обе стороны ее мозга одинаково. Следующим шагом в усложнении коннектома, вероятно, будет завершение изучения мозга на клеточном уровне у насекомого, исследованиям которого я посвятил большую часть своей карьеры, – личинок дрозофилы. В течение многих лет команда ученых из двадцати девяти лабораторий по всему миру под руководством Альберта Кардоны из Исследовательского кампуса «Джанелия» и Кембриджского университета медленно описывала карту синаптических связей мозга личинки.
Анализ изображений срезов с помощью электронного микроскопа – очень кропотливый процесс, даже с использованием современных компьютеров, так что на данный момент мы располагаем информацией только об одной личинке. Исследователи уже знают, что даже среди личинок наблюдаются различия между особями, поэтому выявленная связь, как и геном, не будет давать полной и достоверной информации о каждом представителе вида. Как и в случае с геномом, межиндивидуальные вариации не являются помехой, это захватывающий источник и объяснение различий в поведении, а также они могут раскрыть эволюционную историю вид