[41].
Хотя в то время я скептически отнесся к столь смелой идее, прошедшие годы только подтвердили предсказание Лесли Воссхолл. И появление CRISPR теперь позволяет изменять ген практически у любого животного, выращенного в лаборатории, что предоставляет новые мощные инструменты для изучения мозга тех, кого причудливо именуют «немодельными организмами» (другими словами, ни мышь, ни дрозофила, ни C. elegans). Биолог-эволюционист Нипам Патель недавно отметил: «Эволюция решила все проблемы, которые нас интересуют, мы просто должны отыскать эти организмы и выяснить способ спросить их, как они это сделали» [42].
В настоящее время известно, что малый мозг порождает поведение, очень похожее на наше собственное: от восприятия и обучения до возбуждения, нерешительности, предсказания, предвидения, агрессии, личности и реакции на боль [43].
Такие простейшие структуры могли бы даже пролить свет на ключевой аспект нашего бытия, который представлен двумя чувствами – проприоцепцией и интероцепцией. Проприоцепция (кинестезия) – это ощущение относительного положения конечностей и частей тела (то, что позволяет вам касаться пальцем носа, когда глаза закрыты), а интероцепция – это ощущение пребывания в теле.
Известно, что малый мозг порождает поведение, очень похожее на наше собственное.
Самоанализ предполагает, что наше самоощущение, по крайней мере частично, связано с этими чувствами. Мухи дрозофилы знают, насколько они велики, и избегают попыток пересечь расстояние, которое слишком огромно для их крошечных ножек. Это приобретенное знание: вскоре после вылупления молодые мухи, как правило, «перегибают палку», очевидно, полагая, что они все того же размера, как в стадии личинок с вытянутым телом. Визуальная обратная связь приводит к быстрому улучшению способности оценивать собственные физические возможности. Мухи кодируют память о размерах своего тела посредством активности определенного набора нейронов в центре мозга [44]. Если мы сможем спроектировать правильные эксперименты, то процессы, лежащие в основе данного явления, смогут объяснить более сложные примеры того, как мозг представляет тело и его отношение к внешнему миру.
Предположение Крейка о том, что человеческий мозг – это «вычислительная машина, способная моделировать или проводить параллели с внешними событиями», в равной степени применимо и к маленькому мозгу. Такие процессы позволяют животным интерпретировать события внешней среды и, независимо от того, насколько груб этот анализ, предсказывать результаты. Если мы сможем понять природу того, что Дарвин называл «самыми удивительными атомами материи», то есть предсказать, как они ведут себя глобально и с точки зрения их компонентов и взаимодействий в условиях множества обстоятельств, – то сделаем огромный шаг к пониманию нашего собственного мозга.
Рисунок Эндрю Смита показывает удвоение гнездовых камер при постройке обычного гнезда грязевой осой
Некоторые ученые утверждают, что такой подход может раскрыть древние истоки сознания, но на данный момент даже управление движением у червя-нематоды оказывается более сложным, чем ожидалось [45]. Неясно, сможем ли мы постигнуть нейробиологическую основу проблесков сознания у животных раньше, чем изучим работу человеческого сознания [46].
Наряду с исследованием более сложных, условных форм поведения, одним из плодотворных методов может быть изучение поведения, которое, по-видимому, полностью определяется внешними факторами, воздействующими на внутренние сенсорные шаблоны, и проявляет незначительные различия или вообще их отсутствие между индивидуумами. Можно попытаться понять лежащие в основе нейронные сети, управляющие таким поведением. Например, в 1978 году в одной из моих любимых научных работ Эндрю Смит описал, как австралийская одиночная грязевая оса строит вход в гнездо – своего рода изогнутую зонтиковидную воронку, которая выступает над землей [47]. Оса создает структуру поэтапно, и Смит отламывает кусочки от гнезда или поднимает землю вокруг него, чтобы выявить ключевые сенсорные стимулы, которые заставляют осу вести себя по-разному. Например, увидев дыру, она начала строить вертикальный тоннель.
С появлением технологии CRISPR можно генетически манипулировать организмом животных и понять их мозг.
Пока оса собирала грязь, Смит пробил отверстие в верхней части почти законченной конструкции, и несчастное насекомое просто начало строить новую вертикальную воронку, производя двойную структуру. У осы в мозге не было общего представления о конечном результате – насекомое просто выполняло следующий шаг, получив определенный стимул. Поведенческие пути, порождающие это инвариантное поведение, могут быть описаны в терминах простой блок-схемы. Где-то в мозгу осы есть нейрональные эквиваленты этих шагов. Должно быть, возможно определить, что они собой представляют и как взаимодействуют, порождая данное поведение.
Хотя грязевые осы не являются идеальными лабораторными животными, в принципе благодаря появлению CRISPR можно генетически манипулировать их организмами и понять, как работает их мозг. Уже существуют подробные анатомические описания мозга хорошо изученной осы-паразита Nasonia vitripennis, дающие основу для сравнительных исследований таких животных, как грязевая оса [48]. Если грязевую осу слишком трудно вырастить, то исследование того, как нечто вроде навигации представлено в более «приветливом» мозге насекомых, может оказаться альтернативой. Этот подход в настоящее время исследуется Барбарой Уэбб из Эдинбургского университета и Марком Гершоу из Нью-Йоркского университета. Но, как недавно показали Адам Калхоун и его коллеги, даже то, что кажется абсолютно жестко определенным, например поведение ухаживания дрозофилы, на самом деле непрерывно модулируется сигналами обратной связи, которые изменяются, когда животное переключается между различными состояниями [49].
Подразумевается, что, раскрывая нейронную основу того, что по факту является строго контролируемым поведением, можно получить представление о том, как возникают более гибкие и сложные поведенческие модели.
Что касается сложности мозга млекопитающих, то исследования мышей, включая все более замысловатые коннектомы с возможностью манипулировать отдельными нейронами, приведут к созданию концепции, которая сможет объяснить даже функционирование человеческого мозга. По мере углубления нашего понимания идея локализации функций будет становиться все более размытой и неточной, и мозг станет восприниматься в терминах нейронных цепей и их взаимодействия, а не на основе анатомических областей, рассматриваемых как обособленные модули. Применение моделей, разработанных на маленьком мозге, моделей, которые показывают мозг как активный, реагирующий на поступающую сенсорную информацию, исследующий и выбирающий будущие возможности, а не просто обрабатывающий и передающий сигналы орган, обеспечит динамическое представление о функциях мозга.
Благодаря разработке моделей мозга мы сможем в будущем узнать о функциях нашего мозга.
Существует растущий интерес к использованию данных всего мозга для изучения того, как нейроны реагируют на популяционном уровне, и корреляции этих сложных реакций с богатым поведенческим репертуаром, демонстрируемым даже простейшими животными. Например, личинка данио-рерио чередует два поведенческих состояния, либо ограничивая свое движение и охотясь в строго определенном месте, либо перемещаясь в поисках пищи и подавляя охотничий инстинкт. Исследователи обнаружили небольшое количество клеток в мозге, «кодирующих» охоту; их активность, видимо, отражает мотивационное состояние данио-рериро. Манипулирование такими сетями позволит понять связь между сетевой активностью, поведением и мотивацией. Возможно, мы даже вернемся к идеям Мак-Каллока и Питтса относительно имманентной логики организации нервной системы. Когда эта книга готовилась к печати, появилась статья, описывающая отдельные нейроны в человеческом мозге, которые вычисляют функцию исключающего «ИЛИ»[386], то есть реагируют, если клетка получает два различающихся сигнала. Ранее считалось, что данная функция является свойством нейронных сетей, причем отдельные нейроны способны вычислять только «И» или обычное «ИЛИ». Следующая задача будет состоять в том, чтобы исследовать, как эта удивительно богатая активность отдельных клеток влияет на функцию сети в целом [50]. Небольшие изменения активности отдельных нейронов в первичной зрительной коре мыши могут оказывать волнообразное влияние на активность близлежащих клеток [51].
Не все согласны с изучением мозговой деятельности на уровне отдельных клеток. Многие исследователи, работающие с мозгом млекопитающих, разделяют точку зрения Дэвида Робинсона из Университета Джонса Хопкинса, который в 1992 году утверждал, что «попытки объяснить, как любая реальная нейронная сеть работает на клеточной редукционистской основе, тщетны, и нам, возможно, придется довольствоваться попытками понять мозг на более высоких уровнях организации» [52]. Но, несмотря на неспособность понять желудок омара, а также несомненную мощь растущего числа популяционных исследований мозга всех видов, на популяционную активность все же влияют отдельные компоненты. Из-за этой сложности или вопреки ей тайна сознания в конечном счете будет раскрыта способами, о которых я не могу даже догадываться.
Но именно это, на мой взгляд, должно произойти. Есть много альтернативных сценариев, как может развиваться в будущем наше понимание мозга.
Возможно, различные вычислительные проекты окажутся успешными, и теоретики раскроют принципы функционирования мозга всех существ, или коннектомы откроют принципы работы мозга, в настоящее время скрытые от нас. Или теория каким-то образом выйдет из замкнутого круга огромного количества данных визуализации, которые мы генерируем. Или же мы медленно создадим концепцию (или концепции) из ряда отдельных, но удовлетворительных объяснений. Или, сосредоточившись на простых принципах нейронной сети, поймем организацию более высокого уровня. Или на происходящее прольет свет какой-нибудь радикально новый подход, объединяющий физиологию, биохимию и анатомию. Или новые сравнительные эволюционные исследования покажут, что другие животные обладают сознанием, и дадут представление о функционировании нашего мозга. Или модели, разработанные для объяснения простейшего мозга, окажутся масштабируемыми и объяснят и наш тоже. Или сеть пассивного режима работы мозга, обнаруженная у людей, окажется применимой к другим животным и даст клю