Себастьян Сеунг - Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть

Повзрослев, самец зебровой амадины каждый раз поет, в сущности, одну и ту же песню. Он не импровизирует подобно джазовому пианисту; он больше напоминает конькобежца, выписывающего пируэты на льду, чрезвычайно похожие друг на друга. Про такую песню говорят, что она «кристаллизовалась». Птица сохранила ее в памяти и может в любой момент, по собственному желанию, ее вспоминать и воспроизводить.

Для произведения звуков птица использует голосовой орган под названием нижняя гортань (аналог нашей гортани). Проталкивая воздух сквозь этот орган, птица заставляет его стенки вибрировать, словно эолову арфу. Высоту тона и другие характеристики получающегося звука птица контролирует с помощью мышц, расположенных вокруг нижней гортани, а те, в свою очередь, получают инструкции от мозга птицы. В 1970-е годы Фернандо Ноттебом выявил соответствующие участки мозга (они показаны на рис. 45). Названия у этих областей длинные и сложные, так что ученые обычно пользуются сокращениями – HVC, RA и nXII.

Чтобы лучше понять роль упомянутых участков мозга, сравним эту систему с аппаратурой для воспроизведения музыки. Может быть, у вас есть друг, обожающий хайэнд-системы. Таким меломанам мало обычных систем типа «всё в одном», им нравится, когда у них в комнате стоит множество различных компонентов. В дорогой стереоустановке вашего приятеля проигрыватель для дисков генерирует электрический сигнал, который идет на предварительный усилитель, а оттуда – на основной усилитель. Затем колонки наконец преобразуют этот сигнал в звук. В птичьем мозгу электрические сигналы проделывают аналогичный путь – от HVC к RA и затем к nXII, и в конце пути нижняя гортань птицы преобразует эти сигналы в звуки. Каждый раз, когда стереоустановка вашего друга играет Пятую симфонию Бетховена, электрические сигналы в ее компонентах и звуки из динамиков повторяются в абсолютно одной и той же последовательности. Точно так же и у взрослой птицы звуки, несущиеся из ее нижней гортани, и нервные импульсы нейронов повторяются совершенно одинаковым образом всякий раз, когда пташка поет.

Рис. 45.«Певчие» области в мозгу птицы

Рассмотрим HVC подробнее. Этот участок – первый на пути песни, в чем-то он аналогичен проигрывателю для компакт-дисков в стереосистеме. Вначале его именовали «hyperstriatum ventrale, pars caudale», или HVc. Позже Ноттебом изменил его на «high vocal center» (верхний вокальный центр) – HVC [20]. В 2005 году специальная комиссия нейробиологов постановила, что на самом деле за этим сокращением не стоят никакие термины. (Похожая история с SAT, аббревиатурой, означавшей вначале «Scholastic Aptitude Test» (тест на академические знания), а затем – «Scholastic Assessment Test» (тест, оценивающий академические познания); теперь же правообладатель и разработчик этого теста, Совет колледжей, заявляет, что за этими буквами ничего не стоит.)

Рис. 46.Схематическое изображение импульсов трех нейронов в зоне HVC мозга зебровой амадины

Изменение названия произошло из-за того, что Харви Картен, специалист по строению и эволюции мозга, убедил своих коллег, что птичий мозг больше похож на наш собственный, чем считалось раньше. Прежде нейробиологи полагали, что HVC аналогичен стриатуму (полосатому телу) млекопитающих, являющемуся частью базальных ядер. Ученые считали, что у птиц отсутствуют аналоги нашей коры головного мозга. Однако Картен заявил, что участок мозга под названием дорсальный желудочковый гребень (dorsal ventricular ridge) функционирует примерно, как наша кора. В этой зоне имеется множество субзон, которые, судя по всему, играют важную роль в проявлении сложных рисунков поведения птицы, описанных выше. Одна из таких субзон – HVC.

Микаль Фи и его сотрудники измеряли нервные импульсы в HVC у живых птиц в процессе их пения. Некоторые нейроны HVC направляли аксоны к RA. Эти-то нейроны нас и интересуют больше всего, поскольку сигналы от них идут по всему длинному маршруту птичьей песни. Песенка зебровой амадины состоит из нескольких повторений простенького мотива. Отдельное коленце в нем длится от 0,5 до 1 секунды. Нейроны при этом дают импульсы в определенной жесткой последовательности. На рис. 46 я схематически изобразил нервные импульсы трех таких нейронов. Каждый ждет, пока придет его время «вступить», в нужный момент мелодии дает импульс, длящийся несколько миллисекунд, и затем снова «умолкает». Время каждого импульса жестко привязано к определенному моменту мелодии. Такого рода последовательное импульсообразование – именно то, чего мы ожидаем от стандартной синаптической цепочки.

Из стереосистемы гремит Бетховен, динамик вибрирует, электрические сигналы в системе осуществляют свои бешеные колебания. В отличие от этих летучих и изменчивых сигналов сам лазерный диск остается безмятежным, спокойным и неизменным. Откройте коробочку с каким-нибудь CD. Его поверхность состоит из сотен миллионов микроскопических бороздок и вмятинок, кодирующих музыку битами цифровой информации. Эта поверхность может десятилетиями сохранять одну и ту же форму, производитель гарантирует. Благодаря такой стабильности диск может вновь и вновь воспроизводить Бетховена. Его материальная структура позволяет ему сохранять в «памяти» музыку великого композитора.

Я сравнивал нервные импульсы нейронов HVC с электрическими сигналами в вашем проигрывателе компакт-дисков. Расширим эту аналогию. Пусть коннектом HVC – как компакт-диск. Допустим, этот коннектом содержит синаптическую цепочку, которая уже больше не меняется после того, как песенка «кристаллизовалась» во взрослом самце. Тогда получится, что коннектом HVC хранит в памяти эту песню. Всякий раз, когда птица поет, это воспоминание оживает, превращаясь в череду нервных импульсов. Эти сигналы летучи и изменчивы, сама же материальная структура связей в HVC остается неизменной.

Объем HVC – какие-то доли кубического миллиметра. В ближайшем будущем наверняка окажется технически возможным найти ее коннектом. И тогда мы просто проанализируем его, чтобы выяснить, устроен ли он подобно синаптической цепочке. Подобный анализ потребуется, поскольку с первого взгляда нельзя заключить, содержит ли коннектом такую цепочку. Вначале нужно узнать, как связаны между собой нейроны и в какой последовательности они дают импульсы. Чтобы лучше разобраться в этом, обратимся к схемам на рис. 47. На обеих показана в точности одна и та же структура связей. Нейроны на левом рисунке «перепутаны», и не сразу видно, что они представляют собой цепочку. Для того чтобы ее обнаружить, мы должны «распутать» нейроны, получив схему, изображенную справа. Что ж, для нашего маленького самодельного коннектома это можно попытаться проделать вручную. Но реальный коннектом HVC посложнее, и для его анализа уже потребуется компьютер.