Геро Мизенбок видоизменяет мозг

У меня есть двойник. Доктор Геро — блестящий, но немного сумасшедший ученый в Dragonball Z «Android Saga». Если вы внимательно всмотритесь, то увидите, что его череп был заменен на прозрачный купол из оргстекла, чтобы можно было наблюдать работу его мозга, а также контролировать ее с помощью света. Это именно то, чем я занимаюсь — оптический контроль мозга.

Но в отличие от моего злобного брата-близнеца, который жаждет мирового господства, мои мотивы не злые. Я контролирую мозг, чтобы понять, как он работает. Вы можете сказать: «Постойте, как вы можете контролировать мозг без понимания его, в первую очередь? Это же телега впереди лошади!» Многие нейрофизиологи согласны с этой точкой зрения и считают, что понимание придет из более детального наблюдения и анализа. Они говорят: «Если бы мы могли записывать деятельность нейронов, мы поняли бы как работает мозг.» Но задумайтесь на минуту, что это значит. Даже если бы мы могли замерить, что каждая клетка делает в каждый определенный отрезок времени, нам все равно пришлось бы интерпретировать смысл записанной активности, а это так трудно, что, скорее всего, мы так же мало поняли бы что-то из этих записей, как и сам мозг, который их производит.

Посмотрите, как может выглядеть деятельность мозга. В этой модели каждая черная точка представляет одну нервную клетку. Точка появляется всякий раз, когда клетка испускает электрический импульс. Здесь 10 000 нейронов. Таким образом, вы видите примерно 1% мозга таракана. Ваш мозг примерно в 100 млн раз сложнее. Где-то происходит такая же активность, как здесь, это вы, ваше восприятие, эмоции, ваши воспоминания, ваши планы на будущее. Но мы не знаем, где, так как мы не знаем, как интерпретировать такую активность. Мы не понимаем кода, используемого мозгом. Чтобы что-нибудь понять, нужно взломать код. Но как? Опытный хакер скажет, что для того, чтобы выяснить, что означают символы в коде, нужно иметь возможность «поиграть» с ними, изменить их порядок по своему желанию. То же самое в этой ситуации: для декодирования информации, содержащейся в модели, как эта, наблюдения сами по себе ничего не дадут, нужно изменить картину. Другими словами, вместо записи активности нейронов мы должны их контролировать. Причем не важно, можем ли мы контролировать деятельность всех нейронов в мозге или только некоторых. Чем точнее цель нашего вмешательства, тем лучше. И я сейчас покажу вам, как мы можем достичь необходимой точности.

А так как я скорее реалист, чем мечтатель, я не утверждаю, что способность контролировать функции нервной системы сразу приведtт к разгадке всех еt тайн. Но мы, безусловно, многое сможем понять. Я отнюдь не первый человек, кто понял, насколько мощным орудием может быть вмешательство. История попыток влияния на функции нервной системы длительна и богата открытиями. Она уходит в прошлое по крайней мере лет на 200, к знаменитым экспериментам Гальвани в конце XVIII — начале XIX века. Гальвани показал, что ноги лягушки продолжали сокращаться, когда поясничный нерв был подключен к источнику электрического тока. Этот эксперимент продемонстрировал возможно самый фундаментальный факт нейрокода: информация записывается в виде электрических импульсов. Подход Гальвани зондирования нервной системы электродами по сей день считается достижением, несмотря на ряд недостатков. Вставлять электроды в мозг, очевидно, довольно неприятно. Провода сложно установить в животных, которым нужно передвигаться, а кроме того, есть физические ограничения на количество проводов, которые могут быть вставлены одновременно.

Где-то на рубеже прошлого века я подумал, что можно было бы применить эту логику, только развернув ее. То есть, вместо вживления провода в какое-то определенное место мозга, видоизменить мозг так, чтобы нейроны стали реагировать на подачу сигналов, таких как вспышка света, например. Такой подход, в буквальном смысле с быстротой молнии, поможет преодолеть многие препятствия на пути к открытию. Во-первых, он абсолютно неинвазивный, так сказать беспроводная коммуникация. А во-вторых, как и в радио, сигнал будет приниматься многими приемниками одновременно. Не нужно знать, где находятся эти приемники. Не имеет значения, находятся ли эти приемники в движении — представьте стерео в вашем автомобиле. Более того, мы можем изготовить приемники из материалов, закодированных в ДНК. Таким образом, каждая нервная клетка, модифицированная генетически, сама становится приемником, позволяя контролировать свои функции. Я надеюсь, вы оцените красоту и простоту этой концепции. Не требуется никаких высокотехнологичных устройств, просто биология раскрывается через биологию.

Теперь давайте внимательно рассмотрим эти чудo-приемники. По мере увеличения одного из этих фиолетовых нейронов мы видим, что его внешняя оболочка усеяна микроскопическими порами. Такие поры проводят электрический ток и несут ответственность за передачу сигналов в нервной системе. Но вот эти конкретные поры — особенные. Они присоединены к рецепторам света, похожим на те, что в глазах. Всякий раз, когда вспышка света попадает на рецептор, поры открываются, пропуская электрический ток, и нейрон испускает электрические импульсы. А так как поры, активизирующиеся под действием света, закодированы в ДНК, мы можем достичь невероятной точности. Это потому что, хотя каждая клетка нашего тела содержит одинаковый набор генов, различные сочетания генов включаются и выключаются в различных клетках. Этим можно воспользоваться, чтобы убедиться, что только некоторые нейроны содержат поры, активизирующиеся под действием света, а другие нет. В этой анимации голубовато-белая клетка в верхнем левом углу не реагирует на свет, потому что ей не хватает пор, активизирующихся под действием света. Этот подход работает настолько хорошо, что мы можем передавать искусственные сообщения непосредственно в мозг. В данном примере каждый электрический импульс, каждое отклонение от траектории вызвано кратким импульсом света. Этот подход работает и для движущихся животных в нормальных условиях.

Это первый такой эксперимент, своего рода оптический эквивалент эксперимента Гальвани. Он был проведен шесть или семь лет назад моей тогдашней аспиранткой, Сюзанной Лима. Сюзанна видоизменила плодовую мушку слева так, что только две из 200 000 клеток ее мозга содержали поры, активизирующиеся светом. Вы знакомы с этими клетками, поскольку именно они мешают вам, когда вы пытаетесь убить муху. Они тренируют спасательный рефлекс, заставляя муху подниматься в воздух и улетать, когда ваша рука находится над ней. Здесь вы видите, что вспышка света имеет точно такой же эффект. Животное подскакивает, расправляет крылья, машет ими, но не может на самом деле улететь, так как находится между двумя стеклянными пластинками. Затем, чтобы убедиться, что это не только реакция на видимую вспышку, Сюзанна сделала простой, но довольно жестокий эксперимент. Она обезглавила мух. Эти обезглавленные тела могут жить в течение дня, но они ничего не делают. Они просто стоят на месте и прихорашиваются. Похоже, единственное, что остается после обезглавливания — это привычка прихорашиваться. В любом случае, как вы сейчас увидите, Сюзанна смогла включить «двигатель полета» в эквиваленте спинного мозга этих мух, так, что некоторые из обезглавленных тел снимались с места и улетали. Понятно, не очень далеко. После того, как были сделаны эти первые шаги, произошел взрыв в области оптогенетики. В настоящее время сотни лабораторий пользуются этим подходом.

Многое достигнуто с тех пор, как Гальвани и Сюзанна добились первых успехов, заставив животных сокращать мышцы или взлетать. Теперь мы можем менять их поведение на довольно глубоком уровне, как я покажу вам на последнем примере, который отвечает на знакомый вопрос.

Жизнь постоянно заставляет нас решать, что делать дальше. Мы справляемся с этим давлением с помощью мозга, а точнее, находящихся в мозгу центров принятия решений, которые я называю здесь Исполнителями. Исполнитель применяет стратегию, которая учитывает состояние окружающей среды и контекст, в котором мы находимся. Наши действия изменяют окружающую среду или контекст, и эти изменения затем подаются обратно в цикл.

Затем, чтобы добавить нейробиологического «мяса» к этой абстрактной модели, мы построили простой одномерный мир для наших любимых плодовых мух. Каждая камера в этих двух вертикальных отделах содержит одну муху. Левая и правая половины камеры заполнены двумя разными запахами, и камера наблюдает, как мухи передвигаются между ними. Вот некоторые такие кадры видеонаблюдения. Всякий раз, когда муха достигает середины камеры, где встречаются два запаха, она должна принять решение. Она должна решить, следует ли развернуться и остаться в том же запахе или пересечь линию и попробовать что-то новое. Эти решения четко отражают стратегию Исполнителя. Для разумного существа, как наша муха, эта стратегия не постоянна, она изменяется по мере того, как животное учится на опыте. Мы можем включать такой элемент адаптивного разума в нашу модель, предполагая, что мозг мухи содержит не только Исполнителя, но также и другую группу клеток, Критика, который постоянно дает советы Исполнителю. Вы можете себе представить этот ноющий внутренний голос как своего рода эквивалент католической церкви в мозгу, если вы австриец, как я, или супер-эго, если вы фрейдист, или вашу маму, если вы еврей.

Очевидно, Критик — это ключевой ингредиент в том, что составляет наш разум. Поэтому мы решили выяснить, какие клетки в мозгу мухи играют роль Критика. Логика нашего эксперимента была проста. Мы подумали, что если бы мы могли использовать наше оптическое дистанционное управление, чтобы активировать клетки Критика, мы должны быть в состоянии искусственно повлиять на стратегию Исполнителя. Другими словами, мухи должны учиться на ошибках, которые они думали, что совершили, но в действительности не совершали. Таким образом, мы вывели мух, чей мозг был более или менее случайным образом «приправлен» оптически-активными клетками. Мы давали этим мухам делать выбор. И всякий раз, когда они выбирали один из двух вариантов, один запах, в этом случае синий, а не оранжевый, мы включали свет. Если в числе оптически активных клеток находится Критик, результатом этого вмешательства должны стать изменения в стратегии Исполнителя. Мухи должны научиться избегать оптически усиленного запаха.

Вот что произошло в двух случаях. Сравним два штамма мухи, каждый из которых имеет около 100 оптически активных клеток в мозгу, обозначенных здесь зеленым, слева и справа. Что общего между этими группами клеток — это то, что они производят нейромедиаторный допамин. Но характеристики отдельных производящих допамин нейронов различные слева и справа. Оптическая активация этих ста или около того клеток в двух штаммах мух имееет совершенно различные последствия. Если вы посмотрите сначала на поведение мухи справа, вы заметите, что всякий раз, когда она достигает середины камеры, где два запаха встречаются, она проходит прямо, как и раньше. Ее поведение осталось без изменений. Но поведение мухи слева совершенно другое. Всякий раз, когда она доходит до середины, она останавливается, тщательно исследует запах, как если бы она принюхивалась, а затем поворачивается обратно. Это означает, что стратегия, используемая Исполнителем, включает инструкцию избегать запаха, что в правой части камеры. Это означает, что Критик сказал свое слово в этих животных, и что Критик должен содержаться среди производящих допамин нейронов слева, но не входит в число производителей дофаминовых нейронов справа.

С помощью множества экспериментов нам удалось сузить поиски Критика всего до 12 клеток. Эти 12 клеток, показанные здесь зеленым, посылают выходной сигнал в мозговую структуру — грибовидные тела, показанные здесь серым. Согласно нашей формальной модели, на приемном конце Критика находится Исполнитель. Такая анатомия предполагает, что грибовидные тела участвуют в процессе выбора. На основании всего, что мы знаем про грибовидные тела, это похоже на правду. Это настолько похоже на правду, что мы можем построить игрушечную электронную схему, имитирующую поведение мухи. В этой электронной схеме роль грибовидных тел выполняет группа синих светодиодов в центре платы. Эти светодиоды подключены к датчикам, которые обнаруживают присутствие пахучих молекул в воздухе. Каждый запах активирует различные комбинации датчиков, которые, в свою очередь, активируют различные детекторы запаха в грибовидном теле. Таким образом, пилот в кабине мухи, или Исполнитель, может определить запах, просто посмотрев, какие огни синего светодиода горят.

Что делает Исполнитель с этой информацией, зависит от его стратегии, которая хранится в силе связи между детекторами запаха и моторами, которые заставляют муху менять курс. Если связь слабая, двигатели не включатся, и муха будет по-прежнему продолжать движение. Если связь сильна, двигатели включатся, и муха повернет. Теперь рассмотрим ситуацию, в которой двигатели не включаются, муха продолжает свой путь, и, как следствие, получает болевой шок, например электрошок. В подобной ситуации мы ожидаем, что Критик подскажет Исполнителю изменить стратегию. Мы создали такую ситуацию искусственно, активизировав Критика вспышкой света. Это вызвало укрепление связей между детектором запаха и двигателями. Поэтому, когда в следующий раз муха сталкивается с тем же запахом, связи достаточно сильны, чтобы включить двигатели и поменять маршрут.

Не знаю как вам, но мне кажется захватывающим, когда я вижу, как расплывчатые психологические понятия испаряются, и мы приходим к физическому, механистическому пониманию мозга, даже если это мозг мухи. Это одна хорошая новость. Другая хорошая новость, по крайней мере для ученого, что многое еще предстоит открыть. В экспериментах, о которых я вам рассказал, мы доказали существование Критика, но мы до сих пор не знаем, как Критик делает свою работу. Подумайте: знать, когда ты не прав, и ни учитель, ни ваша мать вам этого не сказали — ведь это очень сложная задача. В области компьютерных наук и искусственного интеллекта есть кое-какие идеи, как это может быть сделано, но мы до сих пор не нашли обьяснение ни одному примеру того, как разумное поведение возникает из физических взаимодействий в живой материи. Я думаю, мы к этому придем в не слишком отдаленном будущем.

Перевод: Марина Гаврилова 
Редактор: Марьяна Ковальчук 

Источник