Адам Пиорей - Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма

Цель исследователей состояла в том, чтобы найти единичный стимул, который способен вызвать активизацию определенного нейрона зрительной коры. Хьюбел и Визель пробовали «показывать» кошкам темные пятна на светлом фоне и светлые пятна на темном фоне. Они всячески варьировали параметры фона и размеры пятен. В конце концов они принялись размахивать руками и плясать перед кошками, — и, чтобы немного развеять собственное мрачное настроение, стали демонстрировать им изображения сексуальных красоток из журнальной рекламы. Ничего не происходило. Нейрон, на который они нацелились, продолжал спать.

Так продолжалось несколько дней. И вот однажды, после очередной серии экспериментов, продолжавшейся четыре часа, исследователи решили опробовать новый стеклянный слайд с изображением черного пятнышка, — и их нейрон «застрочил как пулемет», позже вспоминал Хьюбел. Сам звук, соответствующий активизации нейрона, не имел никакого отношения к этому пятну. После того как вставили слайд, его край стал отбрасывать слабую, но четкую тень на кошачью сетчатку — тень темной прямой линии на заднем плане. Ученые осознали: нейрон, который они исследуют, заранее настроен на то, чтобы наиболее бурно реагировать именно на появление такой линии.

Вскоре исследователи пришли к выводу, что некоторые нейроны порождают наиболее интенсивные импульсы, реагируя на линии, которые проходят под определенным углом, тогда как некоторые их собратья, судя по всему, активизируются, когда встречают наклонные линии, движущиеся в определенном направлении. Иными словами, получалось, что различным нейронам мозг поручает различные задания, которые сводятся к тому, чтобы реагировать на определенные внешние стимулы и транслировать их. Удалось выяснить, что у нейронов имеются «поля восприятия», и во многих случаях оказывалось, что если стимул находится в центре такого поля, то нейрон сразу активизируется на всю катушку. Стимулы, расположенные на периферии поля восприятия, вызывали более медленную подачу импульсов. А всё, что находилось вне этого поля, вообще не вызывало реакцию данного нейрона: он продолжал дремать.

Как обнаружили Хьюбел и Визель, именно согласованная подача импульсов индивидуальными нейронами помогает нам выстраивать сложные («составные») изображения перед нашим мысленным взором. Эти нейроны тоже, по сути, расположены «столбцами», и зрительный анализ происходит как весьма упорядоченная последовательность действий: электрические сигналы передаются от одной нервной клетки к другой, причем каждая нервная клетка отвечает (пусть и не целиком) за распознавание определенных видов деталей в этой картинке.

Послание-сигнал, которое глаз отправляет в мозг, давно считалось «тайным шифром, ключ к которому имеется лишь у мозга: только он способен интерпретировать это послание, — отметит профессор Давид Оттосон из Каролинского института, объявляя в 1981 г. о вручении Нобелевской премии этим двум исследователям. — Хьюбел и Визель сумели расшифровать этот код».

Но Хьюбел и Визель по-прежнему хотели понять, как развиваются эти зрительные клетки. Как нейрон приобретает способность откликаться на диагональную линию или вертикальный край? Почему некоторые нейроны чувствительны к движению? И как эти нейроны работают вместе, порождая в нашем мозгу картинку и становясь частью более длинной цепи обработки зрительных сигналов?

Два ученых предположили, что важнейшую роль здесь играет опыт. У детей, родившихся с катарактой (дефектом хрусталика, блокирующим свет), проблемы со зрением часто продолжаются и после того, как катаракта удалена хирургическим путем. Однако если удалить ее пожилому пациенту, подобные проблемы исчезают. Как объяснить такое несоответствие?

Хьюбел и Визель стали изучать его, создав аналогичную ситуацию у подопытных котят — плотно зашивая им один глаз, а второму позволяя развиваться нормально. Затем они повторили эксперимент со взрослыми кошками. Если зрелым животным открывали зашитый глаз, их зрение полностью восстанавливалось. Но у котят этот глаз оставался слепым даже после того, как он переставал быть зашитым. Казалось, Хьюбел и Визель получили неопровержимое доказательство: имеются (как они это назвали) «критические периоды», в течение которых мозг развивается и может программироваться. Это был очень вдохновляющий эксперимент, но он порождал больше вопросов, чем ответов. Как, собственно, действуют эти критические периоды? Можно ли повернуть этот процесс вспять? И каковы биологические предпосылки таких изменений, происходящих в мозгу?

В последние годы нейрофизиологи получили возможность в реальном времени наблюдать за формированием нейронных цепочек в мозгу молодых животных и ответить на некоторые из этих вопросов. Один из самых изящных экспериментов в этой области провела Холлис Клайн, нейрофизиолог из Института Скриппса (в 2015–2016 гг. она являлась президентом Нейрофизиологического общества). В середине 90-х годов Клайн использовала так называемую двухфотонную микроскопию для того, чтобы заглянуть в мозг головастика и с помощью этого метода, дающего беспрецедентный уровень разрешения, воочию увидеть, как нейроны формируют свои первоначальные связи в развивающемся мозгу.

Благодаря высокому разрешению микроскопа исследовательница увидела гораздо более динамичную и изящную картину, чем та, которую описывали предыдущие наблюдатели. В мозгу головастика ответвления различных нейронов, стремясь друг к другу, то вырастали, то втягивались: это напоминало движения длинных тонких пальцев, ищущих контакта. Как правило, контакт между отростками разных нейронов оказывался мимолетным, как случайное столкновение: соприкоснувшись, отростки быстро отстранялись и затем уже связывались с отростками других нервных клеток. Но время от времени происходило нечто такое, что заставляло два ответвления сойтись в полупостоянном объятии. Эта магическая связь происходила лишь в тех случаях, когда оба ответвления были присоединены к телам клеток, испускающим импульс в момент контакта. Так Клайн уловила мгновения, когда рождаются синапсы — эти микроскопические связи между нервными клетками.

Ученые давно подозревали, что явление, которое наблюдала Клайн, в принципе возможно, однако подтверждения начали поступать лишь в последние десятилетия. В 1949 г. канадский психолог Дональд Хебб предположил, что мозг, по сути, представляет собой мощный детектор совпадений — и что физические законы, согласно которым возникают и укрепляются связи между нейронами, отражают и фиксируют эти совпадения. А следовательно, когда два нейрона порождают импульс почти одновременно, в мозгу происходит нечто такое, что укрепляет их физическую связь: в результате эти нейроны в будущем смогут легче активировать друг друга. Вместе с тем, когда два нейрона дают импульсы, разделенные сравнительно большим интервалом времени, их связи слабеют. Этот процесс часто именуется «хеббовским обучением».