Как в мозге зарождаются мысли и эмоции — Мир Знаний

Как в мозге зарождаются мысли и эмоции

Несмотря на то что исследователи изучают мозг уже более ста лет, они до сих нор не понимают, как этот полуторакилограммовый орган обеспечивает всю сознательную активность человека. Многие пытались решать эту проблему, изучая нервную систему простых организмов. Прошло уже 30 лет с тех пор. как были описаны вес соединения всех 302 нейронов у нематоды Caenorhabditls elegans. Тем не менее сама по себе та схема пока еще не позволила понять, как данные нейроны обеспечивают даже такое элементарное поведение, как питание и размножение. Чтобы выяснить, как активность нервных клеток формирует определенный тип поведения, не хватало данных.zcf67-big

У человека проблема выявления связи между нейроном и поведением стоит значительно более остро. Средства массовой информации регулярно сообщают о томографических исследованиях, показывающих, что. когда мы чувствeем себя отвергнутыми или говорим на иностранном языке, у нас активируются определенные области мозга. Эти новости создают впечатление, что современные научные технологии обеспечивают глубокое фундаментальное понимание принципов работы нервной системы. Однако это впечатление ошибочно.

Примечательный пример такого несоответствия — получившее широкое освещение в прессе исследование отдельных нейронов, которые возбуждались в ответ на предъявление изображения актрисы Дженнифер Энистон. На самом деле, несмотря на возникший ажиотаж, открытие нейронов Дженнифер Энистон было чем-то вроде сообщения от инопланетян: знак наличия разумной жизни по Вселенной, по без всякого намека на смысл этого послания. Мы до сих пор не понимаем, как активность данного нейрона влияет на способность не только узнавать лицо Энистон, но и соотносить его с фрагментом из сериала «Друзья». По-видимому, для того, чтобы мозг смог распознать лицо телезвезды, требуется работа большого нейронного ансамбля, все члены которого общаются с помощью какого-то нейронного кода, который нам еще только предстоит расшифровать.

Кроме того, открытие нейрона Дженнифер Энистон иллюстрирует уровень, которого достигла современная нейробиология. У нас уже есть методы для регистрации отдельных нейронов в мозге живого человека. Но для дальнейшего продвижения необходимы новые технологии, позволяющие исследователям наблюдать и управлять электрической активностью тысяч или даже миллионов нейронов и способные расшифровать те «непроходимые джунгли», в которых, по словам одного из основоположников современной нейробиологии испанского гистолога Сантьяго Рамона-и-Кахаля (Santiago Ramon у Cajal), -заблудились многие ученые.

Теоретически такой методический прорыв поможет преодолеть пропасть между электрической активностью нейрона и пониманием механизмов когнитивных функций мозга, таких как восприятие, эмоции, принятие решений, и в конечном счете сознание. Расшифровка активности мозга, обеспечивающей мышление и поведение, приведет и к пониманию того, что происходит, когда нейронные цепи начинают работать неправильно при психиатрических и неврологических нарушениях, например при шизофрении, аутизме, болезнях Альцгеймера и Паркинсона.

Наконец требования технологического скачка в изучении мозга были услышаны за пределами лабораторий. В прошлом году администрация президента США Барака Обамы объявила о создании крупномасштабного проекта по изучению мозга BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative. Это стало наиболее заметной научной инициативой президента за второй срок.

Этот проект, начальное финансирование которого в 2014 г. составило более S100 млн. направлен в первую очередь на разработку технологий, позволяющих регистрировать сигналы сразу от очень большого числа нейронов и даже от целых областей мозга. Американский проект BRAIN дополняет другие научные проекты за пределами США. Так, Европейский союз выделил $1.6 млрд на разработку компьютерной модели мозга человека (The Human Brain Project). Масштабные проекты в области нейронаук начаты в Китае. Израиле и Японии. Вложение средств в развитие наук о мозге по всему миру напоминает о других послевоенных научных и технических проектах, ориентированных на актуальные национальные приоритеты, такие как атомная энергетика, ядерное оружие, исследования космоса, создание компьютеров, альтернативные источники энергии и расшифровка генома. Наступила эра исследования мозга.

Проблема визуализации

Выясняя, как нейроны формируют представление о Дженнифер Энистон или о чем-то похожем в нашем субъективном опыте или в восприятии окружающего мира, мы сталкиваемся с непреодолимым препятствием. Оно заключается в переходе от измерения показателей одного нейрона к пониманию того, как группы нервных клеток могут участвовать в сложных взаимодействиях, из которых образуется большее единое целое. Такое свойство ученые называют эмерджентностью. Например, температура, прочность материала, намагниченность металла — все это возникает только вследствие взаимодействия множества атомов и молекул. Папример, для одних и тех же атомов углерода характерны и твердость алмаза, и мягкость графита, который так легко оставляет свои слои на бумаге. Твердость или мягкость — эмерджентное свойство, зависящее не от отдельных атомов, а от типа взаимодействий между ними.

По-видимому, мозг тоже проявляет эмерджентные свойства, которые остаются абсолютно непонятными ни входе наблюдения за отдельным нейроном, ни при оценке (с низкой разрешающей способностью) активности большой группы нейронов. Выявить в мозге восприятие цветка или детские воспоминания можно, только наблюдая за активностью нейронных сетей, которые проводят электрические сигналы по запутанным цепочкам из сотен и тысяч нервных клеток. Хотя эта проблема уже давно знакома нейрофизиологам, до сих пор нет возможности регистрировать активность отдельных нейронных цепочек, которые определяют восприятие, память, сложное поведение и другие когнитивные функции.

Одной из смелых попыток преодолеть это ограничение стала коннектомика— построение карты всех связей (синапсов) между нейронами. Недавно в США стартовал проект по построению схемы связей мозга человека (Human Connectome Project). Однако, как и при изучении нервной системы нематоды, такая схема— всего лишь начальный пункт. Она не отражает постоянно меняющиеся электрические сигналы, определяющие конкретные когнитивные процессы.

Для осуществления такой регистрации нам необходимы новые способы измерения электрической активности мозга. Те методы, которые используются сейчас, либо позволяют получить точную картину работы отдельных нейронов на очень небольшом участке мозга, либо охватить большой объем, но с разрешением, недостаточным дли наблюдения за включением или выключением отдельных нейронных цепочек. Сейчас для точной регистрации нейронной активности в мозг лабораторных животных вживляют игольчатые электроды, регистрирующие электрические импульсы от нервной клетки, которые она генерирует, получая химический сигнал от соседней клетки. Когда на нейрон приходит сигнал, потенциал на его мембране меняется. Изменение напряжения вызывает открытие ионных каналов в мембране клетки, через которые в нейрон поступают положительно заряженные ионы, например ионы натрия. Приток ионов приводит к генерации электрического импульса— потенциала действия, или спайка, который распространяется дальше по аксону (длинный отросток нейрона), запуская на его конце передачу химического сигнала следующей клетке, и тем самым осуществляет передачу сигнала по нервной цепочке. Регистрация одного нейрона похожа на попытку посмотреть фильм, наблюдая только за одним пикселем экрана. Кроме того, поскольку это инвазивный метод, введение электрода может повредить нервную ткань.

С другой стороны, методы, позволяющие оценивать общую активность нейронов в целом мозге, тоже не подходят. Самый известный из них—электроэнцефалография (ЭЭГ)— метод, предложенный Гансом Бергером (Hans Berger) в 1920 г. На голове размещают электроды, каждый из которых регистрирует суммарную активность 100 тыс. нейронов, расположенных под ним. Запись ЭЭГ представляет собой колебание «воли» электрической активности, меняющих свою амплитуду за несколько миллисекунд, определить при этом, какой именно нейрон активен, невозможно. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) можно определить, какие области работают интенсивнее, — они будут более яркими на изображении мозга (томограмме). Этот метод неинвазивный. т.е. не требует хирургических вмешательств, но имеет очень низкое временное и пространственное разрешение. На каждый элемент томограммы (воксель— трехмерный пиксель) приходится примерно 80 тыс. нейронов. Кроме этого. фМРТне регистрирует активность нейронов напрямую, а только по вторичным признакам — изменению кровотока в том или ином вокселе.

Чтобы получить представление об эмерджентной активности мозга, ученым требуются новые чувствительные датчики, которые позволяли бы одновременно регистрировать тысячи отдельных нейронов. Появлению таких приборов могут помочь нанотехнологии, создающие новые материалы, зачастую меньшего размера, чем некоторые молекулы. Уже создан прототип матрицы, содержащей более 100 тыс. электродов, расположенных на кремниевой подложке. Такое устройство может регистрировать тысячи нейронов па сетчатке. Дальнейшее развитие этой гехнологии предполагает сворачивание плоской матрицы в трехмерную структуру, укорочение электродов для уменьшения повреждений тканей мозга и удлинение соединительных элементов, позволяющих проникать в нижние слои коры головного мозга. У больных людей, например, такой прибор мог бы зарегистрировать активность десятков тысяч нейронов и вычленить в ней активность каждой клетки.

Использование электродов— лишь один из способов зарегистрировать активность нейронов. В лаборатории уже приходят технологии, оставившие далеко позади электрические датчики. Технологии, заимствованные из физики, химии и генетики, позволяют наблюдать за нейронами у бодрствующего животного в процессе его повседневной жизни.

Миша Арене из Медицинского института Говарда Хьюза в прошлом году приоткрыл завесу над технологиями будущего, сделав визуализацию под микроскопом целого мозга личинки рыбки данио. Данио— излюбленный объект нейробиологов. потому что в своей личиночной стадии эта рыбка совершенно прозрачна, что позволяет наблюдать ее внутренние органы, в том числе и мозг. В этом эксперименте нейроны личинки были генетически модифицированы так. что они флюоресцировали, когда в клетку входили ионы кальция при генерации нервного импульса. Иод микроскопом мозг освещали тонким пучком света, а камера шаг за шагом фотографировала светящиеся нейроны.

Один из нас (Рафаэль Юсте) с помощью такой технологии, получившей название «оптическая регистрация кальция», впервые зарегистрировал активность почти 80% нейронов данио (всего их порядка 100 тыс.). Оказалось, что даже когда личинка рыбки находится в состоянии покоя, многие области ее нервной системы включаются и выключаются, образуя загадочные светящиеся
узоры. О том. что нервная система всегда активна, исследователи знали еще со времен изобретения Бергером метода ЭЭГ. Эксперименты па данио внушают надежду, что новые технологии визуализации помогут понять стойкую спонтанную активность больших групп нейронов — один из важнейших вопросов нейробиологии.

Тем не менее необходимы еще более совершенные технологии, чтобы понять, как активность мозга порождает поведение, и эксперименты с данио только начало. Требуется разработка новых типов микроскопов для наблюдения за активностью нейронов в трехмерном пространстве. Кроме того, оптическая регистрация кальция— слишком медленный метод для наблюдения за высокочастотными разрядами нервных клеток и не позволяет выявить тормозные сигналы, которые снижают электрическую активность клеток.

Нейрофизиологи, работая вместе с генетиками, физиками и химиками, пытаются улучшить оптические методы, чтобы регистрировать не изменение уровня кальция в клетке, а непосредственно изменение потенциала на мембране. Можно ввести в нейрон или встроить с помощью генной инженерии в клеточную мембрану красители, которые меняют свои оптические свойства в зависимости от изменения потенциала: такой метод может оказаться более информативным, чем оптическая регистрация кальция. Этот альтернативный метод, получивший название оптической регистрации мембранного потенциала, в конечном счете позволит исследователям увидеть электрическую активность каждой клетки в целой сети нейронов.

Сейчас оптическая регистрация потенциала находится еще только на этане становления. Химики должны усовершенствовать способность красителей менять цвет или иные характеристики в ответ на генерацию нервного импульса. Красители должны быть безвредными для клетки. Молекулярные биологи уже сконструировали датчики напряжения, закодированные в геноме. Такие клетки считывают нуклеотидную последовательность и синтезируют флуоресцентный белок, который встраивается в наружную мембрану клетки. После этого он может менять степень своей флуоресценции в зависимости от потенциала нейрона.

Сейчас оптическая регистрация потенциала находится еще только на этане становления. Химики должны усовершенствовать способность красителей менять цвет или иные характеристики в ответ на генерацию нервного импульса. Красители должны быть безвредными для клетки. Молекулярные биологи уже сконструировали датчики напряжения, закодированные в геноме. Такие клетки считывают нуклеотидную последовательность и синтезируют флуоресцентный белок, который встраивается в наружную мембрану клетки. После этого он может менять степень своей флуоресценции в зависимости от потенциала нейрона.

Как и в случае с электродной регистрацией, современные нанобиологические технологии могут помочь и при оптической регистрации. Например, заменить органические красители или генетические датчики на квантовые точки— маленькие полупроводниковые частицы, демонстрирующие квантово-механические эффекты. Такие частицы могут очень точно регулировать свои оптические свойства, например цвет или яркость свечения. Другой современный материал— наноалмаз — пришел из квантовой оптики. Он высокочувствителен к колебаниям электрического поля вследствие изменения электрической активности клетки. Кроме того, можно создавать гибриды наночастиц и обычных органических или генно-инженерных красителей. В этом случае наночастица будет выступать в качестве •антенны», усиливая флуоресцентные сигналы слабой интенсивности.

Проблема глубины

Другая техническая проблема, возникающая при визуализации нейронной активности, связана с тем что сложно регистрировать свет около нейронных цепочек, расположенных в глубине мозга. Для ее решения нейротехнологи тесно сотрудничают со специалистами в области вычислительной оптики, технологии материалов и медицины, которым также необходимо неинаазивно смотреть внутрь непрозрачных объектов, таких как кожа, череп или компьютерная микросхема. Ученым давно известно, что когда на твердое тело падает свет, какая-то часть его рассеивается и по рассеянным фотонам в принципе можно определить особенности отражающего объекта.

Например, свет от фонарика, проходящий сквозь руку, образует на другой ее стороне пятно диффузного света, в котором нет никаких намеков о месторасположении костей или сосудов под кожей. Однако информация о пути, которым свет прошел через препятствие, не утеряна окончательно. Волны света рассеиваются и затем могут интерферировать друг с другом. Если полученный световой рисунок снять на камеру, то с помощью новых вычислительных методов можно получить представление о структуре того, через что шел свет. Такая технология позволила Рафаэлю Пьеступу (Rafael Piestun) и его коллегам из Колорадского университета в Боулдере в прошлом году посмотреть сквозь непрозрачный объект. Эти методы можно объединить с другими оптическими технологиями, втом числе теми, которые используют астрономы для коррекции атмосферных искажений звездного света. Такая так называемая вычислительная оптика может помочь визуализировать флуоресцентные сигналы от потенциал-чувствительных красителей у нейронов, лежащих в глубине мозга.

Некоторые из таких новых оптических технологий были успешно использованы для наблюдения за процессами в мозге человека и животных: исследователи, сняв кусочек черепа, смогли увидеть процессы, протекающие на глубине более 1 мм от поверхности коры, Развитие данного метода позволит в будущем увидеть мозг сквозь кости черепа. Однако подобные оптические технологии не способны регистрировать структуры, лежащие глубоко в мозге. Эту проблему может решить еще одна новая разработка. В настоящее время нейрорадиологи используют микроэндоскопию, когда в бедренную артерию вводят тонкую и гибкую трубку с микроскопическим световодом, который по сосудам можно провести ко всем органам, в том числе и к мозгу. В 2010 г. группа ученых из Каролинского института в Стокгольме разработала устройство, позволяющее не нанося никакого вреда проникать через стенки артерий или иных сосудов, по которым идет эндоскоп, и таким образом создавать возможность для любой регистрации, в том числе и электрической активности, в любых участках мозга, не ограничиваясь только сосудистым руслом.

Несмотря на то что электроны и фотоны на первый взгляд — самые очевидные кандидаты на способы регистрации активности мозга, они не единственные. В ближайшем будущем важную роль могут сыграть генетические технологии. Один из нас (Джордж Черч) вдохновился идеями синтетической биологии, обращающемся с биологическим материалом как с деталями механизма. Недавние исследования показали, что с помощью генной инженерии можно так изменить лабораторных животных, что их нейроны начнут синтезировать молекулу-тикер, которая будет особым и заметным образом изменять что-то в клетке всякий раз. когда нейрон возбуждается. Например, тикер может создаваться ДНК-полимеразой которая считывает последовательность нуклеотидов в одной цепочке ДНК и собирает вторую, комплементарную первой. Приток ионов кальция после генерации импульса нейроном приведет к тому, что полимераза будет синтезировать другую последовательность нуклеотидов. т.е. совершать ошибки. Далее для каждого нейрона мозга экспериментального животного может быть определена полученная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Современная инновационная технология, называющаяся флуоресцентным секвенированием in situ, позволяет выявить изменения и ошибки по сравнению с оригинальной последовательностью нуклеотидов. соответствующие интенсивности или временным характеристикам электрической активности нейрона. В 2012 г. лаборатория Черча сообщила о возможном практическом применении метода ДНК тикера для работы с ионами машин, марганца и кальция.

В будущем посредством методов синтетической биологии предполагается создание искусственных клеток, которые будут выступать в роли наблюдателей, патрулирующих тело человека. Генно-инженерные клетки могут служить и биологическими электродами размером тоньше волоса, которые могут размещаться рядом с нейроном и улавливать его разряды. Электрическая активность может быть зарегистрирована с помощью миниатюрнейших интегральных наносхем расположенных внутри синтетической клетки, способных передавать информацию по беспроводной связи на ближайший компьютер. Это гибридное наноустройство, состоящее из биологических и электронных частей, сможет получать энергию с помощью внешнего ультразвукового передатчика или даже из самой клетки, используя глюкозу. АТФ (аденозин-трифосфат) и другие молекулы.

Включать или выключать

Чтобы понять, что же происходит в огромной паутине мозга, исследователи должны уметь больше, чем просто делать снимки активности. Необходимо иметь возможность включить или выключить выбранную группу нейронов, чтобы узнать, за что она отвечает. В последние годы в нейробиологии получили широкое распространение методы оптогенетики при которых используют животных, генетически измененных так. что их нейроны способны синтезировать светочувствительные белки, взятые у водорослей и бактерий. Когда через оптоволокно приходит свет определенной длины волны, эти белки могут активировать или. наоборот, выключать нейрон. Исследователи используют такой метод для активации нейронных цепей для создания чувства удовольствия и других компонентов реакции па подкрепление или для улучшения моторных навыков при болезни Паркинсона. С помощью онтогенетических методов удалось даже создать ложные воспоминания мышам.

Прежде чем оптогенетические методы могут быть применены для лечения человека они. как и положено продуктам, полученным с помощью генной инженерии, должны пройти долгие процедуры согласования. Для ряда случаев существует более удобная альтернатива. Например, нейротрансмиттер (вещество, регулирующее активность нейрона) можно упаковать в светочувствительную молекулу, как в клетку. Как только на нейрон поступает свет, молекул а-клетка распадается, нейротрансмиттер высвобождается и начинает действовать. Стивен Ротман (Steven Rothman) из Миннесотского университета вместе с лабораторией Юсте в 2012 г. провел исследование, в котором вводил крысам ГЛМК (гамма-аминомасляная кислота — нейротрансмиттер. подавляющий нейронную активность), упакованную в клетку из рутения. У животных химическим образом вызывали эпилептический припадок. Включение импульсного освещения мозга синим светом приводило к высвобождению ГАМК и прекращению судорог. Подобные оптохимические технологии сейчас используются, чтобы определить функцию отдельных нейронных цепочек. В дальнейшем, если эти методы будут развиваться, их можно использовать для лечения некоторых неврологических и психических заболеваний.

От фундаментальных исследований доклинического использования лежит долгий путь. Каждую новую идею о том как можно измерить или изменить активность всей нервной системы, сначала проверяют на дрозофилах, нематодах, грызунах и только потом используют для людей. Предположительно через пять лет напряженной работы ученые получат возможность наблюдать и управлять большинством из 100 тыс. нейронов дрозофилы. Методы регистрации и модуляции нейронной активности мозга мышей вряд ли появятся в ближайшее десятилетие. Некоторые технологии, как, например, тонкие электроды, с помощью которых можно скорректировать нарушенные нервные цепочки, могут появиться в медицинской практике уже через несколько лет, в то время как для других методик понадобятся десятилетия.

По мере роста сложности нейротехнологий потребуются и более совершенные средства хранения и обработки огромного массива накопленных данных. Регистрация активности всех нейронов в коре больших полушарий у мыши может занимать 300 терабайт в час. Но не следует считать эту задачу невыполнимой. Развитые научно-исследовательские базы, такие как астрономические обсерватории, геномные центры, ускорители элементарных частиц, могут получать, объединять и распределять и такой тип данных. Новая научная дисциплина нейроинформатика сможет расшифровать работу нервных систем так же. как и в свое время биоинформатика помогла справиться сданными секвеннрования. полученными в результате проекта по изучению человеческого генома (Human Genome Project).

Умение анализировать петабайты информации поможет не только навести порядок в огромном потоке новых данных. Оно может заложить основы для новых объяснений того, как какофония нервных импульсов преобразуется в восприятие, обучение и память. Анализ огромного массива данных также поможет подтвердить или опровергнуть теории, которые нельзя было проверить раньше. Одна любопытная теория утверждает, что у многих нейронов, образующих нейронную сеть, возникают определенные последовательности разрядов, называемые аттракторами, которые могут отражать различные состояния мозга, такие как мышление, память или принятие решений. В недавнем исследовании мышь должна была принять решение, какой из отсеков виртуального лабиринта, проецируемого на экран, пересечь, В это действие вовлекались десятки нейронов, которые демонстрировали динамические изменения активности, схожие с аттрактором.

Более глубокое понимание работы нейронных цепочек поможет объяснить причины многих заболеваний мозга, от болезни Альцгеймера до аутизма, и улучшить их диагностику. Врачи, получив возможность наблюдать за изменениями в активности отдельных нейронных цепочек, смогут направить усилия на исправление именно этих отклонений, а не просто на борьбу с симптомами. И, естественно, знание о причинах заболеваний даст экономические преимущества медицине и биотехнологиям. Надо рассмотреть и этические и правовые вопросы, как это было и для проекта по расшифровке генома человека, особенно если исследователи получат возможность определять и изменять психические состояния человека. Такие результаты потребуют тщательной защиты личной информации пациента.

Для того чтобы различные программы по изучению мозга были успешны, ученые и их спонсоры должны сконцентрироваться именно на наблюдении и управлении нейронными цепочками. Идея программы DRAIN родилась из публикации в журнале Neuron в июне 2012 г. В ней мы и наши коллеги предложили проект долговременного сотрудничества физиков, химиков, нанотехнологов, молекулярных биологов и нейробиологов для разработки «карты активности мозга- с помощью новых методов регистрации и управления электрической активностью нейронных цепочек.

Мы стремились, чтобы с развитием проекта основное внимание сосредоточилось на нашей изначальной идее — создании метода. Сфера исследований мозга огромна, и программа BRAIN легко может превратиться в список смешанных запросов, пытающийся удовлетворить широкомасштабные интересы многих разделов нейробиологии. Тогда она станет всего лишь дополнением к уже существующим независимым проектам разных лабораторий.

Если это произойдет, то развитие будет беспорядочным и основные технические проблемы не будут решены никогда. Необходимо сотрудничество между разными областями науки. Только последовательной работой большой междисциплинарной группы ученых можно создать инструмент для регистрации электрической активности нейронов одновременно в различных отделах мозга. Эта технология должна быть доступна в крупномасштабном научном центре для совместного использования нейробиологами. Мы возлагаем большие надежды на новые разработки по регистрации, управлению и расшифровке языка мозга— электрических импульсов, которыми обмениваются нейроны. Мы убеждены, что без новых методов развитие нейробиологии застопорится и человек не сможет понять эмерджентные свойства мозга, которые лежат в основе бесконечного разнообразия поведения. Чтобы построить большую теорию о том, как работает самое сложное устройство, созданное природой, необходимо расширять наши возможности по использованию и пониманию языка нейронов.

Вам понравится

Добавить комментарий

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

Поделиться записью в соц. сетях