Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть

Пока ученые лишь начинают проверять это новое правило «части и целого», сочетая измерение нервных импульсов и методы коннектомики при исследовании подопытных животных. Первый шаг – выявить функции нейронов, задействованных в восприятии, измеряя их импульсы, которыми они откликаются на различные виды раздражителей (как в эксперименте с фотографиями Дженнифер Энистон). Такое выявление проделывается, как уже описано выше: окрашивая нейроны, чтобы они мигали при активации, и затем наблюдая эти нейроны в оптический микроскоп. После этого исследователи получают снимки данного кусочка мозга уже под электронным микроскопом – с целью определить, как в нем соединены нейроны. Кевин Бригман и Мориц Хельмштедтер, работая совместно с Винфридом Денком, успешно проделали это на примере нейронов сетчатки глаза. Исследования нейронов первичной зрительной коры проводят Дэви Бок, Клэй Рейд и их сотрудники. Если этот подход должным образом разовьется, он даст нам возможность увидеть, действительно ли между нейронами, опознающими целое и части целого, существуют связи.

В ближайшие годы правило связи «части и целого» наверняка будет проверено именно таким образом. Но давайте, для вящей остроты дискуссии, представим себе, что правило уже проверено и подтвердилось. Как его можно будет использовать для чтения коннектомов? Основная идея правила – в том, что нейрон стоит на плечах других нейронов. Вначале можно применить это правило к нейронам, находящимся на нижних уровнях иерархической лестницы, и попробовать догадаться, какие стимулы они когда-то детектировали. Эти нейроны находятся всего в одной ступеньке от органов чувств. Затем можно подниматься выше, шаг за шагом, всякий раз с помощью правила «части и целого» пробуя догадаться, какие стимулы детектировались соответствующими нейронами. В конце концов мы, быть может, благополучно достигнем вершины пирамиды – нейронов CА-3. И быть может, догадаемся, какие стимулы обычно активируют их в живом мозгу. (Нейрон, с которым завязывают связи нейроны, детектирующие длинные уши, грустные карие глаза, виляющий хвост и громкий лай, – это нейрон, с помощью которого ваша ныне покойная прапрабабушка опознавала своего пса.)

Чтение воспоминаний по мертвым мозгам – отличная штука, можно даже придумать сценарий комедии, где всё будет вертеться вокруг этой идеи, но это слишком уж косвенный метод для того, чтобы коннектомика могла применять его всерьез. Я предлагаю исследователям для начала сосредоточиться на расшифровке коннектома HVC. Это фундаментальная задача. Ее решение, возможно, позволит нам лучше разобраться в том, как функционирование мозга зависит от связей между его нейронами.

* * *

Я рассмотрел несколько способов анализа коннектомов: их разрезание по участкам мозга, их разрезание по типам нейронов, считывание с них воспоминаний. Может показаться, что эти подходы довольно существенно различаются, однако на самом деле все их можно рассматривать в рамках правила связи, управляющего нейронами. Я выстроил свой список по увеличению точности подходов: третий точнее второго, второй точнее первого. Дело в том, что правила, регулирующие эти подходы, основаны на всё более и более специфических свойствах нейронов.

К примеру, разделение птичьего мозга на участки даст лишь примитивные правила связи вроде следующего: «Если два нейрона принадлежат к HVC, они, скорее всего, связаны друг с другом». Безусловно, связь между двумя HVC-нейронами вероятнее, чем связь между нейроном HVC и, скажем, нейроном зрительного центра под названием вульст[21] (такой связи и нет). Тем не менее это правило не годится для предсказания того, будут ли связаны два произвольных нейрона HVC (как выясняется, это событие тоже не слишком вероятно).

Чтобы повысить точность правила, попробуем разделить HVC по нейронным типам. Я не упоминал об этом раньше, но наше предшествующее обсуждение посвящалось главным образом одному типу нейронов HVC – нейронам, которые посылают аксоны («проекции») к RA. Этот тип нейронов представляет особый интерес, поскольку его представители дают последовательные импульсы, характерные для синаптических цепочек. Поэтому в подкорректированном виде наше правило может звучать так: «Если два нейрона HVC дают проекции на RA, они, скорее всего, связаны друг с другом». Это более избирательное правило. И возможно, оно более точное.

А еще лучше вывести правило, которое будет основано на хронометраже нервных импульсов, которые порождаются нейронами, когда птичка поет. «Если два HVC-нейрона дают проекцию на RA и их нервные импульсы во время пения следуют один за другим, то они, скорее всего, соединены друг с другом». Если справедлива модель, согласно которой HVC устроен по принципу синаптической цепи, то это правило может позволить нам с высокой точностью вычислять коннектомы.