Что у нас в голове, или Как ученые исследуют человеческий мозг

Одним из таких шансов, предоставленных ученым, ставящим эксперименты с мозгом и сознанием, стала необходимость хирургического лечения тяжелых случаев эпилепсии, которые не поддаются медикаментозной терапии. Причиной заболевания становятся пораженные участки срединной височной доли. Именно эти области необходимо удалить методами нейрохирургии, однако прежде всего их надо выявить, чтобы, так сказать, не «отхватить лишнего».

Американский нейрохирург Ицхак Фрид из Калифорнийского университета (Лос-Анджелес) еще в 1970-х стал одним из первых, кто применил для этой цели технологию введения непосредственно в кору головного мозга электродов толщиной 1 мм. По сравнению с размером нервных клеток электроды имели циклопические размеры, однако даже такого грубого инструмента было достаточно, чтобы снять усредненный электросигнал от некоторого количества нейронов (от тысячи до миллиона). В принципе, для достижения чисто медицинских целей этого было достаточно, но на каком-то этапе инструмент было решено усовершенствовать. Отныне миллиметровый электрод получал окончание в виде разветвления из восьми более тонких электродов диаметром 50 мкм. Это позволило увеличить точность замеров вплоть до фиксации сигнала от сравнительно небольших групп нейронов. Были также разработаны методы, позволяющие отфильтровать из «коллективного» шума сигнал, посылаемый одной-единственной нервной клеткой мозга. Все это было сделано уже не в медицинских, а в чисто научных целях.

Объектом исследований становились люди, ожидавшие операции по поводу эпилепсии: пока внедренные в кору электроды считывали сигналы от нейронов для точного определения зоны хирургического вмешательства, попутно проводились весьма интересные эксперименты с мозгом и сознанием. И это был тот самый случай, когда реальную пользу науке принесли иконы поп-культуры — голливудские звезды, чьи образы легко узнаваемы большинством населения планеты. Сотрудник Ицхака Фрида — врач и нейрофизиолог Родриго Киан Кирога — демонстрировал испытуемым на экране своего ноутбука подборку широко известных зрительных образов, среди которых были как популярные личности, так и знаменитые сооружения, вроде оперного театра в Сиднее. При показе этих картинок в мозге наблюдалась электрическая активность отдельных нейронов, причем разные образы «включали» разные нервные клетки. Например, был установлен «нейрон Дженнифер Энистон», который «выстреливал» всякий раз, когда на экране возникал портрет этой актрисы романтического амплуа. Какое бы фото Энистон ни демонстрировали испытуемому, нейрон «ее имени» не подводил. Более того, он срабатывал и тогда, когда на экране появлялись кадры из известного сериала, в котором актриса снималась, пусть даже ее самой в кадре не было. А вот при виде девушек, лишь похожих на Дженнифер, нейрон молчал.

Исследуемая нервная клетка, как оказалось, была связана именно с целостным образом конкретной актрисы, а вовсе не с отдельными элементами ее внешности или одежды. И это открытие давало если не ключ, то подсказку к пониманию механизмов сохранения долговременной памяти в человеческом мозге. Единственное, что мешало продвигаться дальше, — те самые соображения этики и права, о которых говорилось выше. Ученые не могли разместить электроды ни в каких других областях головы для продолжения экспериментов над мозгом, кроме тех, что подвергались предоперационному исследованию, да и само это исследование имело ограниченные медицинской задачей временные рамки. Это весьма затрудняло поиски ответа на вопрос, действительно ли существует нейрон Дженнифер Энистон, или Брэда Питта, или Эйфелевой башни, а может быть, в результате замеров ученые случайно натыкались лишь на одну клетку из целой связанной друг с другом синаптическими связями сети, отвечающей за сохранение или узнавание определенного образа.

Как бы то ни было, эксперименты над мозгом и сознанием продолжились, и к ним подключился Моран Серф — личность крайне разносторонняя. Израильтянин по происхождению, он попробовал себя в роли бизнес-консультанта, хакера и одновременно инструктора по компьютерной безопасности, а еще художника и автора комиксов, писателя и музыканта. Вот этот-то человек со спектром талантов, достойным эпохи Возрождения, взялся создать на основе «нейрона Дженнифер Энистон» и ему подобных нечто вроде нейромашинного интерфейса. В качестве испытуемых и на этот раз выступили 12 пациентов медицинского центра им. Рональда Рейгана при Калифорнийском университете. В ходе предоперационных исследований им внедрили в область срединной височной доли по 64 отдельных электрода. Параллельно начались эксперименты.

Сначала этим людям показали 110 изображений поп-культурной тематики. По итогам этого первого тура были отобраны четыре картинки, при виде которых у всей дюжины испытуемых четко фиксировалось возбуждение нейронов в разных частях исследуемого участка коры. Далее на экран выводились одновременно два изображения, наложенных друг на друга, причем каждое обладало 50%-ной прозрачностью, то есть картинки просвечивали друг через друга. Испытуемому предлагалось мысленно увеличить яркость одного из двух образов, чтобы тот затушевал своего «соперника». При этом нейрон, отвечающий за образ, на котором сосредотачивалось внимание пациента, выдавал более сильный электрический сигнал, чем нейрон, связанный со вторым образом. Импульсы фиксировались электродами, поступали в декодер и превращались в сигнал, управляющий яркостью (или прозрачностью) изображения. Таким образом, работы мысли вполне хватало, чтобы одна картинка начинала «забивать» другую. Когда испытуемым предлагалось не усилить, а, наоборот, сделать один из двух образов бледнее, связка «мозг — компьютер» вновь срабатывала.

Стоила ли эта увлекательная игра необходимости проводить опыты над живыми людьми, тем более имеющими серьезные проблемы со здоровьем? По мнению авторов проекта — стоила, ибо исследователи не только удовлетворяли свои научные интересы фундаментального характера, но и нащупывали подходы к решению вполне прикладных задач. Если в мозге существуют нейроны (или связки нейронов), возбуждающиеся при виде Дженнифер Энистон, значит, должны быть и мозговые клетки, отвечающие за более существенные для жизни понятия и образы. В случаях, когда пациент не в состоянии говорить или сигнализировать о своих проблемах и потребностях жестами, непосредственное подключение к мозгу поможет медикам узнать о нуждах больного от нейронов. Причем чем больше ассоциаций будет установлено, тем больше сможет сообщить о себе человек.

Однако внедренный в результате экспериментов с мозгом и сознананием электрод, пусть даже 50 мкм в поперечнике, — это слишком грубый инструмент для точной адресации конкретному нейрону. Более тонкий метод взаимодействия — оптогенетика, которая предполагает преобразование нервных клеток на генетическом уровне. Одними из пионеров этого направления считаются Эд Бойден и Карл Диссерот, начинавшие свои работы в Стэнфордском университете. Их замысел заключался в том, чтобы воздействовать на нейроны с помощью миниатюрных источников света. Для этого клетки, разумеется, необходимо сделать светочувствительными. Поскольку физические манипуляции по пересадке светочувствительных белков — опсинов — в отдельно взятые клетки относятся к области практически невозможного, исследователи предложили... заражать нейроны вирусом. Именно этот вирус внедрит в геном клеток ген, синтезирующий светочувствительный белок.

У этой технологии есть несколько потенциальных применений. Одно из них — это частичное восстановление зрения глаза с пораженной сетчаткой за счет сообщения светочувствительных свойств сохранившимся несветочувствительным клеткам (есть успешные опыты на животных). Получая вызванные падающим светом электросигналы, мозг вскоре научится работать с ними и интерпретировать их как изображение, пусть и худшего качества. Другое применение — работа с нейронами непосредственно в мозге с помощью миниатюрных световодов. Активируя разные нейроны в мозге животных с помощью пучка света, можно проследить за тем, какие поведенческие реакции эти нейроны вызывают. Помимо этого, «световое» вмешательство в мозг в будущем может иметь и терапевтическое значение.