Себастьян Сеунг: Я – это мой коннектом

Себастьян Сеунг создает новую сверхамбициозную модель-карту головного мозга, описывающую все соединения каждого нейрона. Он называет ее "коннектомом". Коннектом индивидуален для каждого, также как и геном человека. Понимание коннектома может открыть новые пути для дальнейшего изучения мозга и разума.

Перевод выступления:

Мы живем в удивительное время, эру геномики. Ваш геном – это вся последовательность вашей ДНК. Ваша и моя последовательности немного различаются. Вот почему мы выглядим по-разному. У меня карие глаза. Ваши могут быть голубыми или серыми. Но дело не только во внешности. Газеты пестрят заголовками, что наши гены передают нам страшные заболевания, формируют наши личности или даже являются причиной умственных расстройств. Похоже, наши гены имеют колоссальное влияние на наши судьбы. И все же, я склонен думать, что я больше чем мои гены. Я - это мой коннектом.

На самом деле пока только один коннектом известен, коннектом этого червячка.

Его скромная нервная система состоит из всего лишь трехсот нейронов. И в 1970-х и в 80-х годах команда ученых нанесла на карту все 7 000 соединений между этими нейронами. На этой диаграмме каждый узел – это нейрон, а каждая линия – соединение. Это коннектом червя-нематоды. Ваш коннектом намного сложнее этого, потому что ваш мозг содержит 100 миллиардов нейронов и в 10 000 раз больше соединений. Можно составить подобную диаграмму и для вашего мозга, но она никаким образом не сможет поместиться на этот слайд. Ваш коннектом содержит в миллион раз больше соединений, чем количество букв в вашем геноме. Это ОЧЕНЬ много информации.

Что это за информация? Нам не известно это наверняка, но есть теории. С 19-го века неврологи стали подозревать, что, может быть, это ваши воспоминания – информация, делающая вас вами – может быть, ваши воспоминания хранятся в соединениях между нейронами вашего мозга. И возможно другие аспекты вашей индивидуальности – ваша личность и ваш интеллект – может быть, они тоже закодированы в соединениях между нейронами. Теперь вам должно быть понятно, почему я заявил об этой гипотезе: Я – мой коннектом. Я не стану вас просить повторять это как заклинание. Я только хочу, чтобы вы запомнили это. На самом деле мы не знаем, верна ли эта гипотеза, потому что у нас никогда не было технологий настолько сильных, чтобы проверить ее. Определение коннектома этого червя заняло более 12 лет упорного труда. Чтобы определить коннектом мозга, сравнимого с нашим, мы должны иметь более продвинутые автоматизированные технологии, которые увеличат скорость нахождения коннектомов. В течение следующих пары минут я расскажу вам о некоторых таких технологиях, пока находящихся в разработке в моей лаборатории и в лабораториях моих коллег.

Думаю, вы и раньше видели фотографии нейронов. И вы сразу их узнаете по их фантастическим формам. Они тянут свои ажурные ветви и немного напоминают собой деревья. Но это всего лишь один нейрон. Чтобы найти коннектомы, мы должны увидеть все нейроны одновременно.

Итак, познакомьтесь с Бобби Кастури, который работает в лаборатории Джеффа Литчмана в Гарвардском Университете. Бобби держит фантастически тонкие срезы мозга мыши. Мы фотографируем его с приближением в сто тысяч раз чтобы получить достаточное разрешение, чтобы видеть все ветви нейронов одновременно. Возможно такое, что вы до сих пор их не узнаете, это потому, что мы должны работать в трех измерениях.

Если мы сделаем множество фотографий срезов мозга и сложим их вместе, мы получим трехмерное изображение. Возможно, вы все ещё не видите ветвей. Поэтому давайте начнем сверху и раскрасим поперечный срез ветви в красный цвет. Так же мы поступим для следующего среза и для еще одного. И мы продолжим делать это, срез за срезом. Если мы закончим со всей кипой, мы можем восстановить трехмерную форму маленького фрагмента ветви нейрона. То же самое сделаем с другим нейроном, покрасив его зеленым. Теперь вы видите, как зеленый нейрон касается красного в двух местах, они называется синапсами.

Давайте приблизим один синапс, и сосредоточим внимание на внутренней части зеленого нейрона. Вам должны быть видны маленькие круги. Это везикулы, содержащие молекулы, известные как нейромедиаторы. Когда зеленый нейрон хочет передать информацию, он посылает сигнал красному нейрону, "выплевывая" нейромедиаторы. Известно, что в синапсе оба нейрона соединены вместе, словно два друга, разговаривающих по телефону.

Теперь вы видите, как найти синапс. Но как же нам найти весь коннектом? Мы берем всю трехмерную кипу изображений и смотрим на них как на огромную трехмерную книгу-раскраску. Мы окрашиваем каждый нейрон в разный цвет, затем проходим через все изображения, находим синапсы и запоминаем цвета обоих нейронов, задействованных в каждом синапсе. Если мы проделаем эту процедуру со всеми изображениями, мы найдем коннектом.

Итак, вы узнали азы о нейронах и синапсах. Поэтому я думаю, что мы уже готовы коснуться одного из самых важных вопросов неврологии: чем же отличаются мозги мужчины и женщины? В популярном самоучителе по психологии, у парней мозги похожи на вафли; они расположили свою жизнь по офисным шкафам. Мозги девушек словно спагетти; всё в их жизни соединено со всем остальным. Вот вы смеетесь, а эта книга изменила мою жизнь! Но если серьезно? Что здесь не так? Вы уже знаете достаточно, чтобы указать, что тут не так. Не важно, парень вы или девушка, у каждого мозги словно... спагетти. Или, если быть точнее, очень-очень тонкие спагетти с разветвлениями. Подобно тому, как одна макаронина соединяется со многими другими на вашей тарелке, один нейрон касается многих других нейронов через их запутанные ветви. Нейрон может быть соединён с таким большим количеством других нейронов, потому что существуют синапсы в местах контактов. Пока у вас, возможно, нет представления о реальном размере этого кубика нервной ткани.

Давайте сделаем ряд сравнений, чтобы это продемонстрировать. Я уверяю вас, он очень маленький. Размер его стороны – 6 микрон. Теперь посмотрите, какой он по сравнению со всем нейроном. Вы видите, что только маленький фрагмент ответвлений попадает внутрь куба. А нейрон – нейрон меньше мозга. И это лишь мозг мыши. Он намного меньше, чем мозг человека. Когда я показывал это моим друзьям, иногда они говорили мне: "Ты знаешь, Себастьян, оставь всё это. Неврология безнадёжна." Потому что, если вы посмотрите на мозг невооруженным глазом, вы не увидите насколько мозг сложен, но когда вы используете микроскоп, только тогда скрытая сложность становится заметной.

В 17-м веке, математик и философ Блез Паскаль написал о своих страхах по поводу бесконечного, своем чувстве малозначительности в сравнении с огромными пространствами космоса. Как ученый я не должен распространяться о своих чувствах. "Это было бы слишком, профессор." Или вы позволите? Я чувствую любопытство, и я чувствую удивление, но одновременно печаль. Ну зачем же я начал изучать этот орган, столь восхитительный в своей сложности, сложности возможно бесконечной? Это абсурдно. Как же мы посмели вообразить, что когда-либо сможем понять мозг?

И все же я продолжаю это донкихотское начинание. У меня даже появилось несколько надежд. В один прекрасный день армия микроскопов совместит каждый нейрон и каждый синапс в огромной базе данных фотографий. И однажды суперкомпьютер с искусственным интеллектом проанализирует все эти изображения без участия людей и объединит их в коннектом. Я не знаю, но я надеюсь, что доживу до этого дня. Потому что определение полного коннектома человека станет одним из величайших технологических достижений всех времен, которое увенчает успехом работу многих поколений. В настоящее время я и мои коллеги, мы ставим перед собой более скромную цель – мы лишь ищем частичные коннектомы небольших участков мышиного и человеческого мозга. Однако, этого будет достаточно для первичной проверки нашей гипотезы, что я – это мой коннектом. Пока же позвольте мне убедить вас в правдоподобии этой теории, в том что её нужно воспринимать серьезно.

В детстве пока вы растете, и во взрослом возрасте, когда вы стареете, ваша индивидуальность медленно меняется. Так же и каждый коннектом меняется со временем. Какие же изменения происходят? Нейроны, словно деревья, могут отращивать новые ветви и терять старые. Синапсы могут создаваться и уничтожаться. Также синапсы могут увеличиваться и могут уменьшаться. Второй вопрос: что приводит к этим изменениям? Вообще-то это правда, в какой-то степени, эти изменения закодированы в ДНК. Но это ещё не вся история, потому что есть сигналы, электрические сигналы, путешествующие вдоль ветвей нейронов, и есть химические сигналы, перепрыгивающие от ветви к ветви. Эти сигналы называются нервной деятельностью. Есть много свидетельств, что нервная деятельность программирует наши мысли, чувства и восприятие, наш ментальный опыт. Также есть много свидетельств, что нервная деятельность может быть причиной изменения соединений. Если вы сложите вместе два этих факта, это будет значить, что ваши переживания и опыт могут изменить ваш коннектом. Вот почему каждый коннектом уникален даже у генетически идентичных близнецов. Коннектом - это то место, где природа встречается с воспитанием. Также может быть правдой то, что даже простая мысль может изменить ваш коннектом – эту идею многие могут посчитать вдохновляющей.

Что здесь изображено? Холодный и освежающий поток воды, скажете вы. Что еще на этой фотографии? Не забудьте про канавку в земле, называемую ложем ручья. Без него вода не знала бы, куда ей течь. Этот ручей - моя метафора для определения зависимости между нервной деятельностью и связями. Нервная деятельность все время меняется. Она словно вода в ручье - никогда не остается спокойной. Связи в мозговой нервной сети определяют путь, вдоль которого течет нервная деятельность. Поэтому коннектом словно ложе ручья. Но моя метафора даже шире, потому что это правда, что дно ручья направляет поток воды, но в течение более продолжительного времени, вода в свою очередь изменяет форму дна. Как я только что сказал, нервная деятельность может изменить коннектом. И если вы мне позволите подняться до метафорических высот, я вам напомню, что нервная деятельность - это физическая основа – многие неврологи так думают – ваших мыслей, чувств и ощущений. Мы даже можем говорить о потоке сознания. Нервная деятельность - это его вода, а коннектом это его русло.

Давайте вернемся с поэтических высот к науке. Предположим, что наши технологии для нахождения коннектомов действительно работают. Как же мы протестируем нашу гипотезу "Я – мой коннектом"? Я предлагаю прямой тест. Давайте попробуем считать воспоминания из коннектомов. Считайте это памятью о продолжительных последовательностях движений, словно пианист играет сонату Бетховена. Согласно теории, которая датируется 19 веком, такие воспоминания хранятся как цепочки синаптических связей внутри вашего мозга. Все потому, что если активировать первые нейроны цепи, через свои синапсы они сигналят вторым нейронам, и те тоже активируются, и так далее по цепочке, словно падающее домино. И эта последовательность нервной активации гипотетически является нервной основой для той последовательности движений.

Поэтому один из способов протестировать теорию - это найти такие цепочки внутри коннектомов. Но это будет нелегко, потому что они не будут выглядеть именно так. Они будут перемешаны.

Поэтому мы должны использовать компьютеры, чтобы расшифровать цепь. И если мы сможем это сделать, последовательность нейронов, получившаяся в результате, будет предсказанием картины нервной активности, которая проигрывается в мозгу во время воспоминания. А если нам повезет, это будет первым примером считывания памяти из коннектома.

Ну и беспорядок. Пробовали ли вы когда-нибудь подключить систему настолько сложную как эта? Надеюсь что нет. Но если да, вы знаете как легко ошибиться. Ветви нейронов словно провода в мозге. Кто-нибудь может угадать суммарную длину проводов вашего мозга? Я вам подскажу – это огромное число. Я оцениваю её в миллионы километров. И все это упаковано у вас в голове. И если вы вникли в это число, вам легко понять, что есть огромная вероятность неправильного подключения. И действительно, СМИ любят заголовки вроде: "Мозги анорексиков работают по-другому" или "Мозги аутистов подключены иначе". Это правдоподобные утверждения, но на деле, мы не можем видеть подключения в мозгах достаточно четко, чтобы сказать это наверняка. Поэтому технологии для изучения коннектомов позволят нам в конечном итоге прочесть ошибки подключения мозга, увидеть умственные заболевания в этих коннектомах.

Иногда лучший способ убедиться в правоте утверждения - это убедиться в правоте наиболее экстремального следствия. Философы хорошо знакомы с этой игрой. Если вы действительно верите, что я - это мой коннектом, я думаю, вы также должны принять идею, что смерть – это разрушение вашего коннектома. Я упомянул это, потому что есть провидцы, утверждающие, что есть технология, которая в корне изменит понимание, что значит быть человеком, и, возможно, даже изменит сам наш вид Человек Разумный. Одна из их самых лелеемых ими надежд - это обмануть смерть деятельностью, называемой "крионика". Если вы заплатите 100 000 долларов, то вас заморозят после того, как вы умрете, и будут хранить в жидком азоте в одном из этих резервуаров на складе в Аризоне в ожидании будущей цивилизации, развитой достаточно, чтобы оживить вас.

Должны ли мы высмеивать современных искателей бессмертия, называть их глупцами? Или они однажды будут хихикать над нашими могилами? Я не знаю. Я предпочитаю проверить их убеждения по-научному. Я предлагаю попытаться найти коннектом замороженного мозга. Мы знаем, что происходит повреждение мозга после смерти и во время заморозки. Вопрос такой: стерли ли эти повреждения коннектом? Если да, то никакая будущая цивилизация не сможет восстановить воспоминания этих замороженных мозгов. Воскрешение может произойти для тела, но не для разума. С другой стороны, если коннектом остался цел, мы не должны высмеивать утверждения крионистов.

Я описал то, что надо искать. Поиск начинается в мире очень маленьких вещей, но побуждает нас двигаться в мир далекого будущего. Коннектомы обозначат собой исторический момент в развитии цивилизации. Мы эволюционировали из наших обезьяноподобных предков африканской саванны, и то, что нас стало отличать, – это наши большие мозги. Мы использовали наши мозги, чтобы замыслить еще более удивительные технологии. В конце-концов эти технологии станут настолько сильными, что мы станем использовать их для самопознания, разбирая и собирая снова наши собственные мозги. Я думаю, что это путешествие к самопознанию и не только для ученых, но для всех. И я благодарен за сегодняшнюю возможность поделиться с вами своими мыслями.

Спасибо.