Нейроученые обнаружили феномен, который они не могут объяснить

Как мозг понимает, что чувствует нос и что видят глаза, если нейронный ответ на запахи и визуальные картинки постоянно меняется? По мнению нейробилогов, в мозге должны быть еще необнаруженные невообразимые механизмы. Предполагается, на то, чтобы разобраться в них, уйдут годы труда ученых.

«Предполагается, что ученые знают, что происходит, но в данном конкретном случае мы в глубоком замешательстве».

Карл Шуновер (Carl Schoonover) и Эндрю Финк (Andrew Fink) озадачены. Будучи нейроучеными, они знают, что мозг должен быть гибким, но не чрезмерно. Он должен перенастраивать себя перед лицом нового опыта, но при этом последовательно отражать черты внешнего мира. Как? В учебниках по нейронауке можно найти такое относительно простое объяснение: определенные группы нейронов возбуждаются, когда их владелец чувствует запах роз, видит закат или слышит звук колокольчика. Эти репрезентации, паттерны нейронного возбуждения, вероятно, остаются одинаковыми от момента к моменту. Однако, как обнаружили Шуновер, Финк и их коллеги, иногда это не так. Они изменяются, и делают это до неожиданной и сбивающей с толку степени.

Шуновер, Финк и их коллеги из Колумбийского университета провели опыт на мышах: грызуны нюхали одни и те же запахи в течение нескольких дней и недель и регистрировали активность нейронов в их пириформной коре, эта область мозга участвует в идентификации запахов. В определенный момент каждый запах провоцировал возбуждение разных групп нейронов в этой области. Однако со временем состав этих групп медленно менялся. Некоторые нейроны перестали реагировать на запахи, а другие, наоборот, начали. Спустя месяц каждая из групп почти полностью изменилась. Другими словами, нейроны, реагировавшие на запах яблока в мае, и нейроны, реагировавшие на тот же запах в июне, отличались друг от друга также, как те нейроны, что реагируют на запах яблока и запах травы в одном временном промежутке.

Конечно, это только одно исследование одной области мозга и проведено оно на мышах. Однако другие ученые установили, что тот же самый феномен, названный репрезентативный дрейф (representational drift), происходит в целом ряде зон мозга, помимо пириформной коры. Его существование точно установлено, но все остальное — загадка. Шуновер и Финк рассказали мне, что они не знают, почему так происходит, что это значит, как мозг справляется и какая доля мозга так поступает. Как животные могут построить долгосрочное представление о мире, если их нейронный ответ на мир постоянно меняется? Если такие изменения — обычное дело, «в мозге должны быть какие-то еще необнаруженные невообразимые механизмы, которые позволяют не терять сути, — говорит Шуновер. — Предполагается, что ученые знают, что происходит, но в данном конкретном случае мы в глубоком замешательстве. На наш взгляд, чтобы разобраться в этом, уйдут годы».

У Шуновера и Финка годы ушли просто на то, чтобы установить, что репрезентативный дрейф вообще существует в пириформной коре. Им пришлось разработать хирургические приемы, чтобы вживить электроды в мозг мыши и, что самое главное, зафиксировать их на одном месте на недели. Только так они могли быть уверены, что регистрируемый дрейф вызван изменениями в нейронах, а не мелкими движениями самих электродов. Они начали работать над этим еще в 2014 году. К 2018 году они уже были уверены, что могут получать стабильные данные. Тогда они начали позволять мыши с имплантатом периодически вдыхать разные запахи.

Команда установила, что, если нейроны в пириформной коре реагирует на определенный запах, вероятность, что он будет реагировать на него же через месяц всего один к 15. В каждый данный момент одинаковое количество нейронов возбуждается в ответ на запах, однако конкретные нейроны меняются. Если вдыхать запах ежедневно, то дрейф замедляется, но не прекращается. Не влияет на него и обучение: если мышь ассоциирует какой-то запах с небольшим ударом током, нейроны, реагирующие на этот запах, все равно будут полностью меняться, но мышь продолжит этот запах избегать. «Раньше в этой области преобладало мнение, что нейронный ответ в сенсорных зонах стабилен во времени, — рассказывает Янив Зив (Yaniv Ziv), нейробиолог Института Вейцмана, не принимавший участия в этом исследовании. — Открытие показывает, что это не так».

«Намеки на это получали все эти 15 лет» в разных частях мозга, рассказывает мне Шуновер. Гиппокамп, к примеру, помогает животным ориентироваться в пространстве. В нем содержатся клетки места, т.е. нейроны, которые выборочно возбуждаются, когда их владелец оказывается в определенном месте. Пройдите от кровати к входной двери, в вашем мозгу загорятся разные клетки места. Однако их выбор также не фиксирован. Зив и другие доказали, что настройка этих клеток на определенные места со временем меняется.

В другом эксперименте Лаура Дрисколл (Laura Driscol), нейроученый, сейчас работает в Стэнфорде, помещала мышей в виртуальный лабиринт в форме буквы Т и учила их поворачивать налево или направо. Эта простая задача контролируется задней теменной корой, областью мозга, отвечающей за пространственное мышление. Дрисколл и ее коллеги установили, что активность в этой зоне также меняется: нейроны, загоравшиеся в мозгу мыши, постепенно менялись, хотя грызуны продолжали поворачивать в одну и ту же сторону.

Результат вызвал удивление, но не чрезмерное. Гиппокамп также участвует в обучении и краткосрочной памяти, поэтому ожидалось, что он будет перепрограммировать себя и постоянно меняться. «До нынешнего момента наблюдения за репрезентативным дрейфом ограничивались теми областями, где мы могли его принять», — объяснил Шуновер. С пириформной корой все не так. Это сенсорный центр, область мозга, которая позволяет мозгу воспринимать окружающие стимулы. Он должен быть стабильным. Как еще тогда запоминать запахи? Если репрезентативный дрейф может происходить в пириформной коре, то тогда он может быть обычным делом для всего мозга.

Он может быть менее распространен в других сенсорных центрах, например, зрительной коре, где обрабатывается информация, поступающая от глаз. Нейроны, реагирующие на запах травы могут меняться из месяца в месяц, но те рецепторы, что реагируют на вид коры, похоже, в целом остаются такими же. Возможно, это объясняется тем, что зрительная кора высокоорганизована. Смежные группы нейронов обычно отвечают за смежные части визуального пространства вокруг, и этот упорядоченное распределение может ограничивать нейронный ответ и не позволять ему далеко смещаться. Однако такое утверждение, вероятно, справедливо только для простых визуальных стимулов, таких как линии или полосы. Зив обнаружил репрезентативный дрейф даже в зрительной коре, проведя эксперимент на мышах, которые день за днем смотрели один и тот же фильм.

«У нас есть подозрение, что это скорее правило, чем исключение, — рассказывает Шуновер. — Теперь нашей задачей становится найти зоны, где это не происходит». А к местам, где это все же действительно происходит, «есть три вопроса, — добавляет Финк. — Насколько быстро идет процесс? Как далеко он заходит? И… насколько это серьезно?»

Как мозг понимает, что чувствует нос и что видят глаза, если нейронный ответ на запахи и визуальные картинки постоянно меняется? Первый вариант заключается в том, что он как-то привыкает к этому дрейфу. К примеру, части мозга, связанные с пириформной корой, могут быть способны постепенно менять свое представление о том, что значит активность нейронов этой зоны. Вся система меняется, но синхронно.

Другой вариант заключается в том, что какие-то высокоуровневые черты возбуждающихся нейронов остаются теми же, даже если конкретные активные нейроны меняются. Приведем простой пример. Тимоти О'Лири (Timothy O'Leary), нейроученый Кембриджского университета, рассказал мне, что «представители популяции могут менять свое мнение, сохраняя при этом общий консенсус. В большой популяции существует множество способов представить один и тот же сигнал, поэтому у нейронного кода есть пространство для маневра». Хотя ученые обнаружили признаки этих стабильных высокоуровневых паттернов в других меняющихся частях мозга, Шуновер и Финк найти их в пириформной коре не смогли. Ни они, ни их коллеги не могут точно сказать, как мозг справляется с репрезентативным дрейфом. Кроме того, они не уверены в том, почему это вообще происходит.

Дрифт может оказаться просто ошибкой нервной системы, требующей решения проблемой. «Связи в разных частях мозга постоянно формируются и разрушаются, каждый нейрон сам по себе постоянно перерабатывает клеточный материал», — рассказывает О'Лири. Возможно, такая система, серая клейкая версия корабля Тесея, предназначена со временем меняться. Но, по словам О'Лири, эта идея «слабовата». Нервная система может сохранять точные целенаправленные связи, как, например, между мышцами и контролирующими их нервами. Дрейф не кажется обязательным.

С другой стороны, такой дрейф, вероятно, может приносить пользу. Постоянно меняя способ хранения новой информации, нервная система, вероятно, сохраняет возможность внедрять новую. «Информация, которая не нужна постоянно, забывается, в то время как полезная информация обновляется в ходе дрейфа, — объясняет Дрисколл, сейчас она проверяет эту теорию на искусственных сетях. — Чем дольше я думаю о дрейфе, тем больше становится ясно, что что-то такое мы и должны увидеть в мозгу». Шуноверу также нравится эта идея: «Наше любимое объяснение заключается в том, что это воплощение обучения. Это не само обучение, но проявление этого процесса».

Шуновер и Финк сравнивают открытие репрезентативный дрейфа с работой астронома Веры Рубин (Vera Rubin). В 70-ые годы Рубин и ее коллега Кент Форд (Kent Ford) заметили, что некоторые галактики вращаются неожиданным образом, как будто нарушая законы Ньютона. Проанализированные Рубин данные стали первым прямым доказательством существования темной материи, которая составляет большую часть материи во Вселенной, но при этом ее никогда не наблюдали. Сходным образом, объясняет Шуновер, дрейф показывает, что «за кулисами происходит что-то еще, но мы пока не знаем что».

В сравнении дрейфа с вращением галактик Рубин нашла одну важную неточность. Рубин знала, что обнаружила что-то необычное, поскольку могла сравнить свои данные с ньютоновской механикой, надежной и хорошо описанной физической теорией. Однако в нейронауке такой теории нет. Существует очень ясное представление о том, как работают отдельные нейроны, но все становится более размыто, когда дело доходит до нейронных систем, целого мозга или поведения животного.

Просто вдумайтесь в саму идею того, что определенные паттерны нейронного возбуждения могут представлять различные запахи, виды или звуки. Эта связь кажется достаточно простой с точки зрения ученого, который подверг животное воздействию раздражителя и теперь ищет активные нейроны в его мозгу. Однако сам мозг работает лишь с частью уравнения, ему нужно понять, что могло вызвать такую активность. «Хотя мы можем декодировать эту информацию, это не означает, что мозг это делает», — считает Джон Кракауэр (John Krakauer), нейроученый из Университета Джонса Хопкинса.

Именно поэтому, по мнению Кракауэра, исследование Шуновера и Финка, пускай и «технически изобретательное», но при этом «немного надуманное». Идея дрейфа, объясняет он, удивляет и восхищает только если сравнивать ее с взятым из учебника наивным представлением о репрезентациях, которое никогда не было научно обосновано и уже давно подвергалось сомнениям. Как он мне рассказал, это более широкая проблема для всей области. «Большая часть нейронауки стоит на том, чтобы взять очень конкретный способ и результаты и облечь их в расплывчатое облако концепций, с которыми немногие в науке согласны, — объясняет он. — Зачастую в нейронауке предпосылки остаются не проанализированными, но все остальное безупречно».

Финк согласен, что мысль о стабильных репрезентация никогда не была теорией, а скорее «негласным допущением», и держались за нее, «потому что она простая». Разве может быть иначе? Может. И что теперь?

«В нашей области настоящая жажда новых идей, — рассказал мне Финк, вот почему, по его мнению, они с Шуновером до сих пор не встретились с жестоким сопротивлением, с которым обычно сталкиваются ученые, чьи данные разрушают догмы. — Люди отчаянно нуждаются в теориях. Наша область настолько незрелая в концептуальном отношении, что мы до сих пор находимся на этапе сбора сведений и, в нашем положении, мы не можем ничего исключать». Собственному представлению нейронауки о мозге вполне есть куда дрейфовать.