Код сетчатки: как 20 фильтров Photoshop в глазах изменят медицину

Huberman Lab 170 тыс. 2 ч 18 мин 18.03.2024
Главное

Наш глаз отправляет в мозг не единую картинку, а 20 абсолютно разных, независимых потоков данных, работающих подобно фильтрам Photoshop. Расшифровка этого сложнейшего «кода сетчатки» нейробиологом Э. Дж. Чичильниски обещает революцию в протезировании зрения и ранней диагностике болезней мозга. Это история о поиске общего языка с клетками, где передовые кибертехнологии соединяются с практикой аштанга-йоги и философией внутренней легкости.

👁️ Как рождается зрение: Сетчатка как совершенный биологический компьютер 0:00

Профессор нейробиологии и офтальмологии Стэнфордского университета Эндрю Хаберман (Andrew Huberman) представляет своего гостя как «астронавта» от науки — человека, который решается заходить на неизведанные территории. Э. Дж. Чичильниски (E.J. Chichilnisky), профессор нейрохирургии и офтальмологии, посвятил свою карьеру пониманию того, как нервная система кодирует окружающий мир и как эти знания могут помочь в создании нейропротезов — роботизированных глаз, способных вернуть зрение слепым . Несмотря на то что путь ученого в науку был нелинейным и включал даже годы профессиональных занятий танцами, его фокус в исследованиях остается предельно точным: сетчатка глаза как отправная точка нашего визуального опыта .

Устройство сетчатки и инициация зрения 7:26

По мнению Э. Дж. Чичильниски, понимание работы мозга логично начинать именно с визуальной системы, так как для человека это доминирующий канал восприятия . Процесс зрения инициируется в сетчатке — тонком слое нервной ткани, расположенном в задней части глаза. Она выполняет сложнейшую задачу: захватывает свет, проходящий через хрусталик, и преобразует его в электрические сигналы, которые затем интерпретируются мозгом как визуальные образы .

Сетчатку часто называют «самым изученным фрагментом мозга» . Ее структура состоит из трех основных слоев, работающих в строгой последовательности:

Э. Дж. Чичильниски подчеркивает, что его цель — понять этот «маленький механизм» настолько глубоко, чтобы иметь возможность описать его работу математической формулой и, в конечном итоге, воссоздать или заменить его функции инженерными устройствами .

Типы клеток как фильтры Photoshop: 20 слоев реальности 13:37

Одним из ключевых открытий нейробиологии зрения является тот факт, что сетчатка передает в мозг не одну «картинку», а множество параллельных потоков данных. У человека существует около 20 различных типов ганглионарных клеток, и каждый из них отвечает за свой специфический аспект изображения .

Э. Дж. Чичильниски предлагает использовать метафору фильтров в Photoshop для описания этого процесса. Каждый тип клеток покрывает всё поле зрения целиком, но «видит» в нем только определенные признаки :

  1. Один слой клеток фиксирует мельчайшие пространственные детали.
  2. Другой слой специализируется исключительно на движении объектов в визуальном поле.
  3. Третий анализирует информацию о длине волны света, формируя основу для цветового восприятия .

Таким образом, из глаза в мозг одновременно транслируется около 20 различных «фильтрованных» версий реальности . Эндрю Хаберман дополняет это сравнение аналогией с 20 разными фильмами: один показывает только контуры, другой — только движение цветных пятен, третий — только изменения яркости . Задача мозга — собрать эти разрозненные «киноленты» воедино, создав то, что мы воспринимаем как цельный, связный и понятный визуальный мир. Эта система экстракции признаков характерна для всех органов чувств: слуховая система аналогичным образом разделяет звуковую волну на частоты, интенсивность и направление источника .

Сравнение зрения человека и животных 18:40

Визуальная система каждого вида эволюционно адаптирована под конкретную биологическую нишу. Если грызуны ориентируются в мире во многом с помощью обоняния и вибрисс (усов), то человек — существо в высшей степени визуальное . Различия в строении сетчатки у разных видов наглядно иллюстрируют, что наше зрение — это не объективное отражение всей физической реальности, а лишь выборка того, что важно для выживания .

Примеры различий в восприятии включают:

Именно поэтому лаборатория Э. Дж. Чичильниски в Стэнфорде фокусируется на изучении человеческой сетчатки. Несмотря на то что исследования на животных дают массу фундаментальных знаний, только изучение тканей человека позволяет понять специфический набор из 20 «фильтров», которые формируют именно наш уникальный опыт . Для этого ученые проводят уникальные эксперименты с донорскими глазами, полученными от людей вскоре после констатации смерти мозга, что позволяет записывать живую электрическую активность человеческих нейронов .

👁️ Биология на грани: 48-часовые марафоны с донорской сетчаткой 25:17

Исследования, которые проводит Э. Дж. Чичильниски, начинаются там, где для большинства заканчивается медицина. Работа с человеческой сетчаткой требует невероятной логистической точности и самоотдачи: ученые получают глаза от доноров практически сразу после их смерти через специализированные организации, такие как Donor Network West . Как только поступает сигнал, начинается «Retina Express» — экстренная доставка тканей в лабораторию, которая может находиться в часе езды от госпиталя .

Для команды это означает режим «все на палубу». Эксперименты с живой человеческой тканью превращаются в 48-часовые марафоны интенсивной работы . Сетчатка — это тонкий слой нервной ткани в задней части глаза. Чтобы подготовить её к записи сигналов, глазное яблоко аккуратно разрезают пополам, делают расслабляющие надрезы и расправляют сетчатку на плоскости, превращая её из полусферы в плоский лист .

Этот процесс позволяет сохранить нейроны сетчатки живыми и функциональными вне тела. Ученые вырезают небольшие сегменты ткани — примерно 3 на 3 миллиметра — и помещают их в специальный аппарат. В течение последующих двух суток исследователи буквально «общаются» с живым человеческим мозгом (технически сетчатка является его частью), регистрируя, как клетки реагируют на свет, хотя сам донор уже мертв. Ранее в разговоре Эндрю Хаберман и Э. Дж. Чичильниски уже упоминали, что сетчатка — это не просто датчик, а сложнейший вычислительный прибор.

Технология «ложе гвоздей»: как подслушать разговор нейронов 27:14

Ключевой инструмент в лаборатории Э. Дж. Чичильниски — это уникальный массив электродов высокой плотности, который ученые между собой называют «ложе гвоздей» . Устройство, разработанное совместно с физиками, состоит из 512 микроскопических каналов, расположенных на крошечной площади.

Работа системы выглядит следующим образом:

Это превращает сетчатку в подобие биологической микросхемы. Аппарат работает в обе стороны: он может не только записывать естественные сигналы, но и пропускать ток через электроды, чтобы стимулировать клетки напрямую . Э. Дж. Чичильниски подчеркивает, что эта возможность стимуляции критически важна для разработки протезов будущего: ученым нужно научиться имитировать естественный код сетчатки, чтобы возвращать зрение слепым людям.

Почему типы клеток — это фундамент нейробиологии 32:10

Эндрю Хаберман отмечает, что в нейробиологии часто обсуждают области мозга (префронтальную кору или базальные ганглии), но редко уделяют внимание типам клеток . Для Э. Дж. Чичильниски понимание типов клеток — это единственный способ расшифровать работу мозга и даже приблизиться к пониманию сознания .

В сетчатке человека существует около 20 различных типов ганглиозных клеток. Каждый тип — это отдельный «канал» информации, который покрывает всё поле зрения. Один тип может реагировать только на движение, другой — на увеличение яркости, третий — на определенные цвета .

Отличить один тип от другого можно по трем параметрам:

  1. Генетическая экспрессия (какие гены активны в клетке).
  2. Морфология (форма и размер клетки, её «дерево» дендритов).
  3. Функционал (куда именно в мозг она посылает сигнал и на что реагирует).

Без этой классификации ученые были бы «потеряны» . Использование 512-электродной матрицы позволило совершить прорыв: если раньше исследователи изучали по одной клетке за раз, то теперь они могут записывать сотни клеток одновременно, сразу распределяя их по «корзинам» соответствующих типов .

Метод «белого шума»: дешифровка нейронного кода через «телевизионный снег» 38:26

Чтобы понять, за что отвечает каждая из сотен записанных клеток, исследователи используют метод «белого шума». Вместо того чтобы показывать сетчатке фильмы или сложные картинки, они транслируют ей хаотично мерцающие черно-белые пиксели, напоминающие «снег» на экране старого телевизора .

Процесс напоминает судебно-медицинскую экспертизу . Когда клетка производит электрический импульс (спайк), компьютер фиксирует, какой именно узор пикселей был на экране за мгновение до этого. Усредняя тысячи таких событий за полчаса записи, ученые получают «предпочтительный стимул» клетки. Так выявляются ON-клетки (реагируют на свет) и OFF-клетки (реагируют на темноту) .

Однако Э. Дж. Чичильниски признает, что этот лабораторный метод — лишь верхушка айсберга. Мы хорошо понимаем работу примерно 7 типов клеток из 20 (это около 70% всех сигналов, идущих в мозг) . Остальные 15 типов остаются загадкой. Последние исследования его лаборатории, возглавляемые Александром Шерригом, показали, что эти «скрытые» клетки имеют причудливые свойства: например, они могут реагировать на 3-4 разрозненных пятна в пространстве или иметь чувствительность «паукообразной» формы, повторяющей очертания самой клетки . Эти клетки могут отвечать за сложные аспекты нашего поведения, сна или благополучия, о которых наука пока только догадывается .

👁️ Нейроинженерия будущего: от восстановления зрения к суперспособностям 50:07

Область нейроинженерии сегодня стоит на пороге революции, сравнимой с идеями Илона Маска о Neuralink: от простого исправления дефектов мы переходим к расширению возможностей человеческого разума . Э. Дж. Чичильниски убежден, что именно зрение станет первой сферой, где человечество добьется успеха не только в лечении слепоты, но и в аугментации — создании «суперспособностей», выходящих за рамки биологической нормы.

Ограниченность современных протезов: почему «картинка» остается размытой 52:04

На сегодняшний день основной причиной глубокой потери зрения в западном мире являются дегенеративные заболевания, такие как макулярная дегенерация и пигментный ретинит. При этих недугах фоторецепторы — клетки, улавливающие свет, — погибают, но последующие слои нейронов сетчатки остаются живыми . Идея существующих имплантатов проста: заменить погибшие клетки электронной матрицей, которая будет захватывать свет камерой и передавать электрический сигнал напрямую ганглионарным клеткам .

Однако Э. Дж. Чичильниски называет нынешнюю ситуацию «стаканом, который наполовину пуст». Пациенты, которые десятилетиями были полностью слепыми, после установки таких устройств начинают видеть лишь грубые пятна, вспышки и полосы света . Это помогает им найти дверной проем в темной комнате или не врезаться в кофейный столик, но это бесконечно далеко от естественного зрения с его деталями, цветами и лицами .

Основная проблема современных протезов заключается в том, что инженеры игнорируют биологическую сложность:

Метафора оркестра: как превратить шум в симфонию 56:13

Чтобы объяснить, почему нынешние имплантаты работают так плохо, Э. Дж. Чичильниски использует метафору симфонического оркестра. В здоровом глазу каждый тип клеток — это отдельная группа инструментов: скрипки исполняют одну партию, гобои — другую, а вместе они создают сложный, гармоничный сигнал, который мозг интерпретирует как визуальный образ .

Нынешние технологии — это дирижер, который в случайном порядке разбросал ноты, и все музыканты начали играть одновременно и невпопад. Результатом становится «какофония» . Мозг может уловить в этом шуме отдельные знакомые ритмы, но не способен воспринять всю красоту композиции. Задача лаборатории Чичильниски — создать устройство, способное распознавать конкретные типы клеток в глазу живого пациента и стимулировать их по отдельности, восстанавливая оригинальную «партитуру» сигналов .

Аугментация: зрение «как у ястреба» и новые чувства 1:00:32

Если мы научимся передавать сигналы в мозг с той же точностью, что и природа, откроется путь к аугментации — расширению человеческих возможностей. Поскольку имплантат является электронным устройством, параметры поступающей информации можно менять по желанию пользователя .

Это открывает захватывающие (и порой пугающие) перспективы:

Э. Дж. Чичильниски подчеркивает, что это больше не научная фантастика, а вопрос инженерной реализации («straight up science») . Хаберман добавляет, что хотя такие способности, как видение дрожания страниц в блокноте на другом конце кафе, могут отвлекать, наличие контроля над этими функциями превращает глаз в совершенный инструмент .

Параллельные каналы: как читать и водить машину одновременно 1:01:37

Одним из самых амбициозных направлений является использование параллельных каналов обработки информации. Э. Дж. Чичильниски приводит пример: мы можем безопасно вести машину и разговаривать по телефону, потому что слуховой и зрительный потоки обрабатываются разными частями мозга и не мешают друг другу . Но мы не можем одновременно читать текст и вести машину, так как эти задачи конкурируют за один и тот же визуальный ресурс .

Однако теоретически это ограничение можно обойти. В сетчатке существуют разные типы клеток, такие как midget-клетки (отвечающие за детали и текст) и parasol-клетки (отвечающие за движение и навигацию) . Если мы научимся подавать информацию от смартфона в один тип каналов, а информацию о дороге — в другой, мозг сможет обрабатывать их параллельно .

Эндрю Хаберман отмечает, что именно поэтому сетчатка — идеальный полигон для подобных экспериментов, в отличие, например, от гиппокампа (центра памяти) . В сетчатке мы точно знаем, какой тип нейронов за что отвечает и как их стимулировать, чтобы получить нужный эффект без «побочных действий», характерных для современных лекарств . Работа лаборатории Чичильниски представляет собой «вершину точности» в современной нейробиологии .

🧠 Умные имплантаты, окно в мозг и нелинейный путь ученого 1:15:18

Современная медицина часто напоминает попытку починить компьютер простым перезапуском. Эндрю Хаберман приводит в пример электросудорожную терапию (ЭСТ) — метод, который при всей своей эффективности при тяжелых депрессиях воздействует на мозг максимально неспецифично, вызывая мощный выброс нейромедиаторов во всех отделах сразу. Это «грубая перезагрузка», в то время как нейробиология стремится к ювелирной точности программного кода. Э. Дж. Чичильниски уверен: путь к истинному исцелению и даже расширению возможностей мозга лежит через создание адаптивных, «умных» устройств, способных говорить на языке конкретных нейронных сетей .

Создание «умных» адаптивных имплантатов 1:17:44

В отличие от стандартных электростимуляторов, которые просто подают ток на ткани, концепция Э. Дж. Чичильниски предполагает создание двустороннего интерфейса. Вместо того чтобы навязывать биологической сети произвольный сигнал, чип должен сначала интегрироваться в неё и «прослушать» окружение. Процесс работы такого устройства профессор делит на три этапа:

  1. Запись активности: Чип размером всего пару миллиметров регистрирует электрические сигналы, чтобы понять, какие именно типы клеток находятся рядом и как они общаются .
  2. Калибровка: Устройство стимулирует конкретные электроды и одновременно записывает реакцию, составляя карту: какой электрод активирует клетку №14 с вероятностью 50%, а какой — клетку №12 при подаче тока в один микроампер .
  3. Воспроизведение кода: Только после этого, используя накопленные десятилетиями фундаментальные знания о нейронном коде, чип начинает транслировать визуальные образы в понятной для мозга последовательности .

В этой схеме искусственный интеллект выступает не как «разум» устройства, а как сложный инженерный инструмент. По словам профессора, ИИ помогает быстро обрабатывать огромные таблицы данных и настраивать трансформацию внешнего мира в паттерны активности нейронов, которые невозможно описать парой строчек кода .

Сетчатка как окно в мозг 1:26:27

Важнейший аспект работы с глазом заключается в том, что сетчатка — это не просто датчик, а полноценная часть мозга, вынесенная за пределы черепной коробки в процессе эмбрионального развития . Это делает её уникальной диагностической площадкой. Э. Дж. Чичильниски подчеркивает: сегодня появляется всё больше доказательств того, что анализ состояния нейронов сетчатки позволяет обнаружить дегенеративные процессы глубоко в мозге .

Благодаря современным технологиям визуализации, офтальмологи могут буквально заглянуть в «живой мозг» через зрачок. Это дает возможность диагностировать болезнь Альцгеймера и другие формы нейродегенерации на ранних стадиях, просто наблюдая за тем, как живут или погибают нейроны в глазу . Поскольку черепная коробка непрозрачна и затрудняет прямое наблюдение за мозгом, сетчатка становится единственным доступным «окном» для неинвазивного мониторинга здоровья центральной нервной системы .

Пластичность взрослого мозга и обучение 1:27:33

Возникает вопрос: сможет ли мозг взрослого человека адекватно воспринять сигналы от таких высокотехнологичных чипов? Эндрю Хаберман задается гипотезой: если имплантат позволит видеть с детализацией в два раза выше обычной, справится ли с этим привыкшая к другим нормам нейронная сеть? .

Э. Дж. Чичильниски находит ответ в работах Эрика Кнудсена. Его исследования показали, что пластичность мозга сохраняется далеко за пределами «критических периодов» развития, если вводить изменения постепенно .

Профессор считает, что, постепенно «выкручивая яркость» или разрешение через умный имплантат, можно научить мозг интерпретировать ранее недоступную ему информацию. Это превращает процесс восстановления зрения в процесс обучения, подобный тому, как мы осваиваем любой сложный навык .

Нелинейная карьера Э. Дж. Чичильниски 1:34:24

Глядя на точность и математическую выверенность нынешних исследований профессора, сложно представить, что его путь в науку был крайне извилистым. В отличие от многих коллег, он не следовал прямой траектории. После изучения математики в Принстоне , Э. Дж. Чичильниски провел несколько лет, ведя «богемный образ жизни»: он профессионально занимался музыкой, путешествовал и много танцевал .

Его академический путь в Стэнфорде также начался с поиска:

Профессор признается, что уровень тревоги в моменты неопределенности порой зашкаливал за 10 из 10 . Он честно говорит: «Если бы у меня был талант заставить пару тысяч человек танцевать, просто играя музыку, я бы, наверное, занимался только этим» . Однако именно этот опыт — от программирования ради заработка до свободных танцев — сформировал его как ученого, способного мыслить вне рамок. Его совет молодым исследователям: не бояться «возиться» со своей жизнью и пробовать разное, пока не найдется то, что действительно работает для вас .

🧭 Компас внутреннего состояния: философия «легкости» и самопознания 1:40:20

Несмотря на глубокую вовлеченность в сложнейшие математические и биологические аспекты работы мозга, Э. Дж. Чичильниски придерживается на удивление интуитивного подхода к жизни и принятию решений. Ранее в разговоре ученые уже касались его нелинейного карьерного пути, но именно в финале беседы Чичильниски раскрывает внутреннюю «навигационную систему», которая позволяет ему сохранять фокус и энтузиазм на протяжении десятилетий научной деятельности.

Познай, будь и люби: триада самореализации 1:45:04

В основе жизненной философии Э. Дж. Чичильниски лежит классический афоризм Дельфийского оракула — «Познай самого себя». Однако ученый убежден, что в современном мире эта формула требует существенных дополнений для того, чтобы быть по-настоящему эффективной . Он расширяет этот принцип до триады: «Познай себя, будь собой и люби себя».

По мнению профессора, «быть собой» — задача не из легких, так как общество постоянно транслирует нам сигналы о том, какими мы должны быть, навязывая чуждые роли и ожидания . Третий же элемент — «люби себя» — Чичильниски называет отдельным навыком, который требует осознанной практики, особенно для людей, чья внутренняя «прошивка» изначально к этому не склонна .

Для поддержания этого состояния он использует несколько ежедневных практик:

Чувство «легкости» как жизненный ориентир 1:48:50

Когда Эндрю Хаберман спросил своего коллегу о том, как именно он принимает судьбоносные решения — является ли это рациональным расчетом или телесным ощущением, — Чичильниски ответил однозначно: «Это всё чувства» . Его мозг перерабатывает огромные массивы информации, как в «бункере», но на выходе система выдает не логическую цепочку, а конкретное ощущение, сигнализирующее о правильности пути.

Ключевым словом для этого индикатора является «ease» — легкость . Это состояние отсутствия внутреннего сопротивления. Чичильниски вспоминает, как около десяти лет назад в сложный период жизни Хаберман пожелал ему именно этой «легкости», и с тех пор это слово стало его внутренним компасом .

Интересным воплощением этого состояния в памяти ученых остался Костелло — покойный бульдог Эндрю Хабермана. Чичильниски, который раньше не считал себя любителем собак, признается, что Костелло «перевербовал» его, став живым воплощением тотальной легкости и энергетической эффективности . Наблюдение за существом, которое просто «есть» и наслаждается моментом, помогло ученому лучше понять это состояние в себе.

Э. Дж. Чичильниски уверен, что умение распознавать это чувство можно и нужно развивать. В своей педагогической практике он замечает, что когда студент находит верное решение или путь в науке, это моментально отражается на его языке тела: плечи расслабляются, дыхание меняется, человек «погружается в легкость» .

Границы науки и ценность созерцания 1:52:24

Как нейробиологи, Хаберман и Чичильниски могли бы попытаться разложить чувство «легкости» или симпатии к человеку на составляющие: размер зрачков, ритм сердца, уровень дофамина. Однако Чичильниски выступает против такой деконструкции. «Есть вещи слишком прекрасные и нюансированные для того, чтобы направлять на них научный микроскоп», — утверждает он .

Вместо анализа он предлагает использовать концепцию «behold» — созерцания или благоговейного внимания . В качестве примера он приводит момент из своей лабораторной практики, когда ученые получают донорский человеческий глаз. Прежде чем начать сложнейшие замеры и типирование клеток (о которых подробно говорилось во второй главе), Чичильниски всегда замирает перед микроскопом, просто глядя на сетчатку.

«Это захватывает дух каждый раз. Я смотрю и думаю: вот она, ткань, которая инициировала каждый визуальный опыт в жизни этого человека. И красота этого момента бесконечна» .

Для Э. Дж. Чичильниски наука — это не только поиск ответов, но и способ служения человечеству через понимание этой красоты. Его миссия по созданию адаптивных протезов и возвращению зрения слепым (раскрытая в предыдущих главах) вырастает именно из этого глубокого личного чувства ответственности и эстетического восхищения тем, как устроен мозг .

💬 Цитаты

«Сетчатка — это не одна картинка, отправляемая в мозг. Это 20 разных репрезентаций визуального мира, передаваемых одновременно.»

Э. Дж. Чичильниски 15:06

«Мы относимся к сетчатке как к электронной схеме, которой она, честно говоря, почти и является.»

Э. Дж. Чичильниски 29:00

«Изучать сетчатку, не понимая типов клеток — значит сразу безнадежно запутаться.»

Э. Дж. Чичильниски 34:22

«Нынешние ретинальные имплантаты слишком примитивны... дирижер разбросал ноты, и музыканты играют что попало — это какофония.»

Э. Дж. Чичильниски 56:39

«Умное устройство сначала выясняет, с кем оно разговаривает, а затем учится говорить на языке близлежащих нейронных цепей.»

Э. Дж. Чичильниски 1:17:31

«Чувство, которое я испытываю, когда нахожусь на верном для себя пути — это легкость. Просто всё в порядке.»

Э. Дж. Чичильниски 1:49:29
👥 Спикер
📖 Термины
Ганглионарные клетки
Нейроны сетчатки глаза, разделяющие визуальную информацию на параллельные потоки данных для передачи в мозг.
Ложе гвоздей
Технология высокоплотной записи сигналов нейронов с использованием массива из 512 электродов.
Метод телевизионного снега
Способ определения функций клеток сетчатки через обратную корреляцию при демонстрации случайного визуального шума.
Биология и медицина Э. Дж. Чичильниски сетчатка глаза глазные имплантаты нейробиология диагностика Альцгеймера