Научный журнал Quanta Magazine представил обзор главных научных прорывов, которые в корне меняют наши представления о биологии и нейробиологии. В центре внимания исследователей оказались новые подходы к картированию человеческого мозга, расшифровка сложнейшего генома цветка-паразита и революционное открытие, переворачивающее классическую теорию эволюции сна. Эти открытия доказывают, что живая природа устроена гораздо сложнее традиционных научных моделей и культурных стереотипов.
🧠 Конец классической картографии мозга: вычислительный подход к разуму 0:04
На протяжении столетий доктора и ученые пытались разгадать тайны человеческого мозга, понять принципы его организации и определить зоны, управляющие психическими функциями. Последние сто лет нейробиологи уподоблялись картографам, размечая области и активность мозга в строго определенных границах.
В рамках этой традиционной модели за каждой зоной закреплялась конкретная роль:
- Префронтальная кора прославилась как обитель рационального мышления.
- Моторная кора отвечает за планирование и координацию движений.
- Соматосенсорная кора и теменные доли контролируют восприятие физического мира.
- Височные доли обрабатывают воспоминания, речь и эмоции.
- Затылочная доля интегрирует визуальную информацию, а мозжечок помогает выполнять двигательные команды тела.
Однако, как отмечают авторы видео, ученые долгое время смотрели на мозг через призму собственных убеждений о том, что значит быть человеком. Многие из этих представлений и концепций человеческого разума можно проследить вплоть до философии Платона.
Современные исследователи все чаще сталкиваются с серьезными проблемами в этой классической картине. Новейшие исследования традиционных когнитивных функций, таких как память, демонстрируют поразительный объем активности, которая перекрывает самые разные части мозга. Из-за этого жесткие категории и простые карты теряют свой первоначальный смысл. Привычное концептуализирование разума, по сути, вообще не соответствует реальным функциям различных мозговых систем. Подобные разграничения субъективны, поэтому ученые предлагают изучать организационные свойства мозга без привязки к культурно обусловленным категориям, которые сам мозг «не уважает».
Профессор Рассел Полдрек в своей лаборатории в Стэнфордском университете использует вычислительный подход для поиска истинных организующих признаков разума. Его команда собирает огромные массивы данных при выполнении людьми множества различных психологических задач, чтобы алгоритмы сами определили внутреннюю структуру процессов.
Применив машинное обучение для изоляции нейронной активности, связанной с воспоминаниями, лаборатория Рассела Полдрека обнаружила, что данные коррелируют не с конкретными «центрами памяти», а с более общими конструктами активности, для которых у человечества пока даже нет названий. По словам Рассела Полдрека, тесты, которые, как считалось, измеряют одно и то же явление, на деле показывают совершенно разные вещи, что требует фундаментального переосмысления функций мозга.
В нейробиологии существует широкое согласие относительно того, что мозг является вычислительной машиной. Однако, как подчеркивает Рассел Полдрек, у науки пока нет адекватного языка для описания этих вычислений, кроме математики. Это порождает интригующий вопрос: не придем ли мы в итоге к моделям, которые идеально предсказывают активность мозга, но при этом принципиально не поддаются объяснению на понятном человеку языке?
🌸 Секреты трупного цветка: рекордная потеря генов у Раффлезии 3:23
В глубоких джунглях Юго-Восточной Азии растет одно из самых странных растений в мире — Раффлезия Арнольда (Rafflesia arnoldii), которую также называют «трупным цветком» из-за характерного запаха гниющего мяса, привлекающего мух-опылителей. Это самый большой цветок на планете, сопоставимый по размеру и весу с маленьким ребенком.
Раффлезия представляет собой чистого паразита, получающего воду и питательные вещества исключительно из организма хозяина. Из-за такого образа жизни в геноме паразитических растений часто обнаруживается чужеродный генетический материал, заимствованный у хозяина. Биологи выдвигают гипотезу, что паразиты используют украденные гены как своеобразное оружие, помогающее им эффективнее паразитировать.
Исследовательница Лиминг Цай стала одной из тех, кто попытался секвенировать крайне сложный геном раффлезии. Долгое время биологи не могли справиться с этой задачей из-за обилия транспозонов — «прыгающих генов», способных копировать и вставлять себя в повторяющиеся интервалы ДНК. Большинство организмов подавляют эти элементы, но раффлезия является исключением. Лиминг Цай сравнивает сборку такого генома со складыванием пазла, где каждая деталь абсолютно идентична.
В итоге команде биоинформатиков во главе с Лиминг Цай удалось создать черновой вариант генома одного из видов раффлезии, и результаты шокировали биологов. В то время как все растения обладают примерно одинаковым набором консервативных генов, раффлезия потеряла почти половину из них, что стало абсолютно рекордным открытием.
Кроме того, Лиминг Цай установила, что 90% генома раффлезии состоит из повторяющейся ДНК и транспозонов. Точные причины этой аномалии пока неизвестны, но разгадка способна перевернуть геномику паразитарных организмов. По мнению Лиминг Цай, развитие технологий секвенирования позволяет исследовать самые причудливые ветви древа жизни и наглядно видеть, как эволюция умудряется обходить базовые правила.
💤 Эволюция сна: почему мозг оказался не первопричиной 6:14
В начале XX века сон стал крайне популярной темой для исследований благодаря изобретению электроэнцефалографа (ЭЭГ), измеряющего электрическую активность мозга. Этот метод принес много открытий, но одновременно сформировал устойчивое предвзятое мнение, будто сон — это исключительно неврологический феномен, а все его функции завязаны на мозг. Знаменитый сомнолог Аллан Хобсон в свое время сформулировал тезис: «Сон принадлежит мозгу, осуществляется мозгом и предназначен для мозга». Однако критики этой теории отмечают, что она упускает из виду очевидный факт: мы являемся целостными интегрированными организмами, а не просто «ходячими мозгами».
Первые трещины в повальном мозгецентричном подходе появились, когда швейцарский ученый Ирен Тоблер заметила, что тараканы тоже спят. С тех пор наука узнала, что сон свойственен даже самым простым существам с крошечным мозгом.
Недавнее открытие японских ученых полностью изменило устоявшийся эволюционный нарратив. Объясняя природу сна, исследователи обратились к гидре — одной из самых простых форм животной жизни на Земле. У гидры вообще нет мозга, вместо него функционирует диффузная нервная сеть — самая базовая нервная система в природе. Японские ученые экспериментально доказали, что гидры спят. Это стало живым подтверждением того, что сон эволюционно возник задолго до появления самого мозга.
Если сон развился не для мозга, то в чем его изначальная цель? Ученые все чаще обращают внимание на периферические ткани организма. В лабораториях исследуется гипотеза, согласно которой во время сна организм снижает энергию активации, позволяя биологическим цепям восстанавливаться. Во время сна существо тратит меньше энергии, но использует ее иначе — для поддержки тех функций, которые не могут осуществляться в период бодрствования. Исследования на гидрах пополнили массив доказательств того, что сон изначально зародился для регуляции метаболизма и ускорения клеточного восстановления, и лишь значительно позже взял на себя когнитивные функции мозга. По убеждению современных биологов, сон и метаболизм неразрывно связаны, и именно за этим направлением стоит будущее науки.
