Современная нейробиология долгое время опиралась на карты головного мозга вековой давности, сопоставимые по точности с географическими картами XV века. В рамках Всемирного фестиваля науки (World Science Festival) ведущие исследователи обсудили результаты амбициозного проекта «Коннектом человека» (Human Connectome Project), совершившего революцию в детальном картировании мозговых структур. Участники дискуссии — Джефф Лихтман, Дэвид Иглмен, Дианна Барч и Ним Тоттенхэм — объяснили, как устроена сложнейшая сеть из триллионов синапсов и почему понимание этих связей способно перевернуть наши представления о памяти, обучении и психических расстройствах.
🗺️ От карт Бродмана к проекту «Коннектом» 0:03
Представьте, что современный самолет оснащен передовой авионикой, но пилот вынужден ориентироваться по карте XV века, опасаясь доплыть до «края земли». Похожая ситуация долгое время сохранялась в нейробиологии: классическая карта немецкого анатома Корбиниана Бродмана, опубликованная еще в 1909 году, до сих пор активно используется учеными. Бродман выделил отдельные корковые зоны, напоминающие государства на политической карте — например, «Речь», «Кратковременная память» или «Движения рук».
Главной целью проекта «Коннектом человека» (Human Connectome Project, HCP) стало детальное переосмысление этой карты. К июлю прошлого года HCP завершил свою первую фазу, представив миру карту головного мозга XXI века. Исследователи зафиксировали существование 180 дискретных областей коры, причем 97 из них были абсолютно новыми для науки.
Ученые разделяют связи в мозге на два ключевых типа:
- Структурные связи — это физическая «проводка» мозга, состоящая из нервных волокон (аксонов), соединяющих клетки.
- Функциональные связи — это динамическое взаимодействие различных областей в режиме реального времени, напоминающее постоянный разговор между регионами.
Чтобы зафиксировать эти «разговоры», исследователи HCP собрали данные 1200 участников, выполнявших различные задачи (на память, распознавание эмоций на лицах) во время сканирования, что позволило выявить устойчивые нейросети.
🔬 Микрокосм мозга: масштаб Шебойгана и петабайты данных 2:45
Чтобы увидеть, как макроскопические сети переводятся на уровень индивидуальных нервных соединений, требуется колоссальное увеличение. Разница в масштабах между глобальной картой мозга и микроскопическим участком составляет два квадриллиона раз. Ведущий Брайан Грин привел наглядную аналогию: если макрокарта всей коры эквивалентна карте земного шара, то область, которую изучает Джефф Лихтман, сопоставима по масштабу с небольшим американским городом Шебойган в штате Висконсин.
Этот крошечный «Шебойган» представляет собой кубический миллиметр ткани мозга. Однако его наполнение поражает:
- Количество нервных клеток (нейронов): 50 тысяч.
- Количество синапсов (соединений): около 1 миллиарда.
По словам Джеффа Лихтмана, составление полной микросхемы даже одного кубического миллиметра — это триумф, работа над которым еще не завершена. Для этого требуется обработать 2000 терабайтов (или 2 петабайта) необработанных цифровых данных. В то же время для макроскопических методов, которыми пользуются Дианна Барч и Ним Тоттенхэм, один кубический миллиметр — это всего лишь размер одного вокселя, минимальной неделимой точки на снимке. Моделирование всего человеческого мозга на микроуровне пока невозможно: для этого потребовалось бы больше цифровой информации, чем создано во всем мире.
🎨 Эволюция методов: от чернил Кахаля до электронных микроскопов 9:00
История нейробиологии началась с Сантьяго Рамона-и-Кахаля, который использовал метод окрашивания Гольджи. Этот метод позволял окрашивать в темный цвет лишь малую часть клеток, оставляя остальные прозрачными. Кахаль, будучи визуальным гением, с помощью чернил и кисти воссоздавал структуры на бумаге и смог безошибочно предугадать направленность потоков информации в нейросетях. Примечательно, что создатель метода Камилло Гольджи категорически не разделял взглядов Кахаля и даже на совместном вручении Нобелевской премии публично критиковал его выводы, однако время подтвердило правоту испанского ученого.
Современные исследователи пытались развить эту идею, создав метод BrainBow, окрашивающий каждую клетку коры в свой цвет. Однако в коре головного мозга плотность «проводов» настолько высока, что даже при самом высоком разрешении светового микроскопа цвета сливаются в неразличимую массу.
Поэтому команда Джеффа Лихтмана перешла к «плану Б» — использованию электронных микроскопов. Процесс выглядит следующим образом:
- Блок ткани мозга насыщают тяжелым металлом осмием.
- Образец помещают в твердый пластик и нарезают алмазным ножом на тончайшие слои толщиной в 1/1000 человеческого волоса.
- Лента со срезами сканируется микроскопом высокого разрешения, выдавая изображения размером 250 000 на 250 000 пикселей.
Чтобы собрать кубический миллиметр ткани, необходимо сделать 33 333 таких 2D-среза, после чего глубокие сверточные нейросети объединяют их в 3D-модель. Лихтман признается, что этот процесс порой вызывает у него депрессию своей масштабностью: на реконструкцию всего трех миллиардных долей мышиного мозга (где содержалось 1500 клеток и по одному синапсу на каждый кубический микрон — всего 1500 синапсов) у команды ушло 5 лет. Ученый считает, что через 50–100 лет их нынешние методы будут казаться такими же примитивными, как ручное секвенирование ДНК на заре геномики.
🧠 Макроскопический зазор: что на самом деле видит фМРТ? 16:20
Ним Тоттенхэм обозначила одну из главных точек научной дискуссии: насколько сопоставимы микроданные Лихтмана с макроснимками функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ)? Полноцветные светящиеся «пятна» на снимках фМРТ отражают не электрическую активность нейронов напрямую, а так называемый BOLD-сигнал (Blood Oxygen Level Dependent). Он регистрирует, как обогащенная кислородом кровь распределяется по мозгу во время выполнения задач. Таким образом, связь между током крови и электрохимической активностью — это лишь научное допущение (инференция).
Джефф Лихтман указывает на серьезное ограничение этого метода: в одной светящейся точке фМРТ скрыто 50 тысяч нейронов и миллиард синапсов, принадлежащих к десяткам типов клеток из разных слоев коры. Метод дает лишь глобальное усреднение. Лихтман сравнивает фМРТ с наблюдением за энергопотреблением городов США из космоса: можно заметить, что ночью огни гаснут, а днем разгораются, но разглядеть действия конкретного человека невозможно. Тем не менее, макрометоды незаменимы, поскольку для детального электронного картирования живого человека, по ироничному замечанию Лихтмана, «пришлось бы убить».
Дэвид Иглмен выделил еще один важнейший метод HCP — диффузионную томографию, исследующую структурную связность. Метод фиксирует преимущественную диффузию воды вдоль аксонов в белом веществе. Это позволяет оценивать ориентацию пучков волокон и реконструировать длинные дистанции между областями серого вещества. Однако метод также сталкивается со спорами в научной среде, поскольку нервные пучки постоянно пересекаются, и существует риск ложной интерпретации данных.
🧬 Зачем нужен «Коннектом»? Аналогия с геномом и вариативность 21:09
Оправданы ли колоссальные финансовые и временные затраты на проект, который, возможно, никогда не будет завершен полностью? Джефф Лихтман проводит прямую аналогию с проектом «Геном человека». На старте многие ученые сомневались в его ценности, называя значительную часть ДНК «мусором», однако сегодня никто не оспаривает фундаментальное значение геномики. Коннектомика, по мнению Лихтмана, позволит сформировать проверяемые гипотезы о том, чем мозг больного человека отличается от здорового, а мозг ребенка — от мозга взрослого.
Вопрос индивидуальной вариативности коннектомов вызывает живые дискуссии. Лихтман убежден, что поскольку жизненный опыт формирует уникальную сеть связей, структуры мозга разных людей не могут быть идентичными. В то же время, на макроуровне крупных магистральных путей (доступных методам фМРТ и диффузионной томографии) сходство человеческих мозгов может достигать 95%. Дианна Барч подтвердила, что данные HCP демонстрируют поразительное сходство базовой сетевой структуры, но индивидуальные различия все же ярко вырачены и напрямую коррелируют со сложными когнитивными и эмоциональными особенностями поведения. Возражение критиков о том, что из-за уникальности каждого мозга изучение одного образца бессмысленно, Лихтман парирует аналогией: изучив детально Париж, вы получите фундаментальные инсайты, которые применимы и к Лондону, и к Нью-Йорку.
👥 Генетика против среды: тайны близнецов и развитие плода 26:03
Дэвид Иглмен рассказал, что занимается исследованием коры уже сорок лет, начав еще в 1976 году с картирования зрительной коры макак-резусов с помощью карандаша и кальки. Сегодня компьютерные алгоритмы позволяют моделировать сложнейшие извилины человеческого мозга.
Особое место в исследованиях занимают монозиготные близнецы, имеющие 99% общего генетического кода. Дианна Барч пояснила, что на их снимках видны как явные сходства, так и поразительные различия в извилинах — их мозг невозможно назвать идентичным. Даже если бы близнецов поместили в абсолютно одинаковые комнаты и кормили бы одинаковой едой в течение восьми лет, различия все равно бы проявились, хотя, возможно, и в меньшей степени.
Формирование извилин подчиняется строгим временным этапам:
- Первый и второй триместры беременности — мозг эмбриона и плода остается практически полностью гладким.
- Третий триместр — происходит взрывной рост коры, ткань складывается в извилины, чтобы гигантский «блин» полушарий поместился в компактный череп и прошел через родовые пути.
- Момент рождения — сложность извилин младенца уже близка к взрослой, хотя объем мозга составляет лишь 1/3 от дефинитивного.
Поскольку большая часть извилин закладывается в утробе матери, Дэвид Иглмен предполагает, что различия у новорожденных близнецов обусловлены тонкими эпигенетическими факторами и микроизменениями внутриутробной среды. При этом после рождения сильнее всего разрастаются зоны, отвечающие за высшие когнические функции. Эти области обладают наибольшей пластичностью, но они же и уязвимы для аномального опыта. Иглмен отмечает, что именно в этот период бурного постнатального развития могут закладываться расстройства аутистического спектра, физиология которых пока изучена слабо.
✂️ Нейро-Дарвинизм и пластичность: избыточность против эффективности 37:14
С метаболической точки зрения долгое развитие человеческого мозга крайне неэффективно, однако природа идет на эти издержки ради феноменальной пластичности. Ним Тоттенхэм сравнивает этот процесс с забрасыванием огромной рыболовной сети в океан, из которой затем вытягивают только нужное. Рождаясь, ребенок не знает, в какой языковой и климатической среде он окажется, и мозг готовит избыточные ресурсы.
Формирование личности и адаптация взрослого — это, как ни парадоксально, субтрактивный процесс, основанный на механизме «нейро-дарвинизма». Мозг безжалостно подрезает неиспользуемые синапсы, подобно садовнику, обрезающему кусты роз.
Исследования фиксируют жесткую иерархию созревания:
- Зрительная кора (задняя часть мозга) — пик синаптической плотности и последующая «подрезка» (прунинг) происходят в первую очередь, так как сенсорным системам необходимо первыми обрабатывать информацию извне.
- Фронтальная кора (передняя часть мозга) — график синаптического взрыва и регрессии сдвинут во времени на более поздний возраст, что соответствует постепенному созреванию функций планирования, контроля эмоций и социальных привязанностей.
Примером работы нейро-дарвинизма служит ранняя многоязычность. По словам Тоттенхэм, пятимесячный младенец способен различать любые фонемы (например, специфические звуки японского языка), но если они не активируются в его среде, к полугоду мозг уничтожает эти синапсы за ненадобностью. При этом дети-билингвы получают огромный бонус для префронтальной коры: постоянное переключение между языками развивает гибкость когнитивных функций на всю оставшуюся жизнь и, согласно некоторым исследованиям, защищает от деменции в старости.
🤖 Свобода воли и искусственный интеллект 44:16
Существование детерминированной карты связей неизбежно поднимает вопрос: является ли свобода воли иллюзией? Джефф Лихтман утверждает, что безумная плотность и сложность триллионов синапсов, обладающих стохастическим (вероятностным) поведением, фактически и есть то, что мы называем свободой воли. Он приводит метафору: пилот самолета, смотрящий ночью на Нью-Йорк, видит, что все машины дисциплинированно уезжают по шоссе из города, а утром возвращаются. Сверху это кажется жестким детерминизмом, необходимым для функционирования мегаполиса, но для каждого отдельного водителя это его личный выбор. Дэвид Иглмен солидарен с тем, что практическая сложность контурных схем мозга оставляет понятию «свобода воли» полное право на жизнь.
Однако можно ли воссоздать коннектом в машине фон Неймана или симулировать его на компьютере Тьюринга? Джефф Лихтман скептичен: коннектом — это статический снимок в определенный момент времени. Он не отображает динамику информационных потоков и внешние стимулы, поступающие от сетчатки или органов слуха в реальном времени.
Рассуждая об искусственном интеллекте, Дэвид Иглмен вспомнил суперкомпьютер IBM Watson, способный мгновенно находить источники, работая как комбинация Библиотеки Конгресса и спринтера Усэйна Болта. Иглмен сомневается, что машины когда-либо смогут полностью сымитировать гибкость, интуицию и глубину живого человеческого диалога, хотя и призывает никогда не говорить «никогда», напоминая, как в 1980-х годах физиологи считали МРТ бесперспективной фантастикой.
🛌 Как сохранить пластичность мозга 50:43
Хотя пик пластичности приходится на детство, способность формировать новые синапсы и воспоминания сохраняется у взрослых до конца жизни, особенно в префронтальной коре. Ним Тоттенхэм отметила, что такие факторы, как регулярные физические упражнения, полноценный сон и новые когнитивные вызовы, напрямую стимулируют синаптическую пластичность. Дианна Барч добавила, что согласно современным теориям, сон выполняет функцию «очистки» синапсов от метаболического мусора, подготавливая мозг к эффективной работе на следующий день.
Джефф Лихтман с иронией заметил, что с возрастом люди неизбежно становятся более консервативными и закостенелыми в суждениях. По его мнению, это физиологический процесс: альтернативные пути, которые могли бы использовать нейронные цепи, со временем просто отсекаются прунингом. Тем не менее, завершая дискуссию, Дэвид Иглмен призвал молодое поколение ученых активно идти в нейробиологию, поскольку именно им предстоит найти ключи к лечению тяжелейших заболеваний мозга — от аутизма до возрастной деменции.
