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

По счастью, передо мной никогда не вставали философские дилеммы подобного рода. Коннектомных близнецов-людей мы еще долго не увидим. Но как насчет червей? Во введении я говорил о «едином» коннектоме червя C. elegans , как бы подразумевая, что любые два червя этого вида – коннектомные близнецы. Но так ли это на самом деле? Нейроны у них, безусловно, идентичны, так что мы, наверное, сумеем взять два коннектома, сопоставить их, нейрон за нейроном, и посмотреть, одни и те же там связи или нет.

Такое сравнение никогда не проводили целиком, ибо для него понадобились бы два полных коннектома C. elegans , между тем и один-то найти достаточно трудно. Дэвид Холл и Ричард Рассел сумели сократить путь, сопоставляя частичные коннектомы из кончиков хвоста червей. И полного совпадения они не увидели. Если у одного червя два нейрона связаны посредством множества синапсов, то, как правило, и у другого червя они связаны так же. Но если у одного червя два нейрона связаны единственным синапсом, то у другого червя между этими нейронами вообще может не быть никакого синапса.

Что служит причиной такой вариативности? Червей в лаборатории на протяжении многих поколений выводили путем инбридинга (родственного спаривания), интенсифицировав методы, которыми выводят чистопородных собак и лошадей. В итоге все подопытные черви стали генетическими близнецами, но в их ДНК-цепочках все-таки остались некоторые различия. Может быть, за вариативность коннектомов ответственны именно эти отличия? Или эта вариативность – признак того, что черви учатся на опыте? А может быть, причина кроется не в генах и не в опыте, а в случайных отклонениях в ходе подключения нейронов при развитии организма? Любое из этих объяснений может оказаться верным, но нужны новые исследования, чтобы их проверить.

Влияют ли коннектомные вариации на поведение, наделяя червей разной «личностью»? Неизвестно. Холл и Рассел не занимались этим вопросом. Их черви, хоть и выведенные путем инбридинга, во всех прочих отношениях казались совершенно нормальными. Другие исследователи выявили червей с генетическими дефектами, ведущих себя аномальным образом. Найти их коннектомы еще предстоит, но после того, как это будет сделано, естественный шаг – сравнить коннектомы аномальных и нормальных червей, если только их нейроны можно будет сравнивать попарно, по принципу «каждый нейрон одного червя с каждым нейроном другого». Если каких-то нейронов не хватит или обнаружатся дополнительные, сравнивать такие коннектомы будет несколько труднее; но все-таки сравнение должно оказаться возможным. Подобные исследования должны шириться по мере того, как становится всё легче отыскивать коннектомы C. elegans .

Сравнение коннектомов животных с крупным мозгом будет куда более сложной задачей. Как я упоминал во введении, крупные мозги значительно отличаются друг от друга по количеству нейронов, так что соответствие «один нейрон к одному нейрону» тут уже не построишь. В идеальном случае мы найдем способ сопоставлять нейроны, обладающие сходной или аналогичной схемой связей. Согласно максиме коннекционизма, такие нейроны должны будут обладать также и сходными функциями, как нейрон Дженнифер Энистон в мозгу одного человека и нейрон Дженнифер Энистон в голове другого. Соответствие может не оказаться взаимно-однозначным, поскольку у разных людей может быть различно количество нейронов Дженнифер Энистон. (У кого-то вообще может не оказаться ни единого нейрона Дженнифер Энистон, ибо они были попросту лишены счастья лицезреть ее образ.) Для такого сопоставления понадобятся сложные вычислительные методы, которые еще предстоит разработать.

Альтернативный подход – сравнивать коннектомы после их огрубления. Можно рассматривать упрощенные коннектомы, построенные для зон мозга или для типов нейронов, как описано выше. Поскольку следует ожидать, что такие коннектомы существуют у всех нормальных индивидуумов, наверняка всегда будет возможно поставить такие коннектомы во взаимно-однозначное соответствие. И тогда, возможно, сопоставление упрощенных коннектомов существ с большим мозгом будет не сложнее, чем сравнение коннектомов червей.

Ранее я заявлял, что зональных коннектомов или коннектомов, построенных по типам нейронов, может оказаться недостаточно для чтения и понимания наших воспоминаний – самого уникального аспекта нашей личности. Однако другие отличительные умственно-психические черты: характер, способности к математике или выраженность аутизма, – кажутся более общими, чем детали автобиографии. Эти свойства ума и психики, быть может, закодированы как раз в упрощенных коннектомах.

В принципе мы могли бы отыскивать упрощенные коннектомы, рассекая коннектомы нейронные. Но нахождение полного нейронного коннектома даже хотя бы для мозга грызунов – перспектива лишь отдаленного будущего. Альтернативный подход – срезать путь и искать упрощенные коннектомы напрямую, без помощи нейронных. Эти методы будут технически проще, поскольку они не требуют получения большого количества изображений.

Отдельные нейробиологи предпочли бы использовать оптическую микроскопию для нахождения коннектомов, основанных на типах нейронов. Такой подход впервые применил Кахаль, заключивший, что нейроны двух типов связаны друг с другом, когда нейроны одного типа простирают свои аксоны в область, занятую дендритами нейронов другого типа. Кахаль применял свой подход лишь фрагментарно, но благодаря современным технологиям эту методику можно использовать на систематической основе. Однако, чтобы найти коннектом нейронных типов, нам придется собрать воедино снимки нейронов из множества мозгов, поскольку световая микроскопия позволяет получить изображение лишь небольшой доли нейронов отдельного мозга. А следовательно, такой подход может оказаться не так полезен для поиска различий между отдельными мозгами.

Оптическую микроскопию можно применять и для построения карт зональных коннектомов. Чтобы применить этот подход к коре головного мозга, мы должны картографировать определенную часть конечного мозга, о которой я еще не говорил. Речь идет о белом веществе. Вспомните, конечный мозг, сидящий на стволе мозга, напоминает фрукт на стебле. Кожура этого фрукта – кора головного мозга, называемая еще серым веществом. Разрежьте фрукт, и обнажится его мякоть – белое вещество (рис. 48).

Рис. 48.Серое и белое вещество головного мозга

Серое и белое вещество различали еще в античности, но их фундаментальные различия стали ясны лишь с открытием нейронов. Серое вещество, располагающееся на поверхности мозга, являет собой смесь всех частей нейронов – тел клеток, дендритов, аксонов и синапсов, – тогда как белое вещество содержит лишь аксоны. Иными словами, белое вещество (располагающееся под поверхностью мозга) – это одни только «провода».