«Открытия и гипотезы» №2, 2012
Шрифт:
В том же 2003 году в журнале «New Scientist» вышла статья с амбициозным заголовком «Первый в мире протез мозга». В ней рассказывалось о работах Теодора Бергера и его коллег из университета Калифорнии — Лос-Анджелес (UCLA). Группа Бергера объявила о намерении создать искусственный гиппокамп крысы. Они смоделировали гиппокамп как совокупность нейронных сетей. Крысиный гиппокамп, по большому счету, не слишком отличается от человеческого, так что перспективы понятны.
Американский философ Дэниэл Деннет написал: «Когда переключаешься от попыток моделировать вещи с помощью уравнений к производству совершенных компьютерных моделей… ты можешь закончить моделью, тонко моделирующей природу, но ты не понимаешь модель». Это высказывание, чтобы оно не звучало так
Если создать модель гиппокампа на компьютерном чипе, подать на входные электроды сигналы от других отделов мозга, связанных с гиппокампом, и получить на выходе сигналы, которые генерирует «живой» гиппокамп, то мы получим искусственный аналог этого отдела мозга. Протез, который перекодирует информацию из кратковременной памяти в долговременную. Одна небольшая операция, и нарушения памяти, выбрасывающие человека из нормальной жизни, останутся позади. А дальше — кто знает, как далеко может зайти протезирование?
За первыми успехами снова были годы работы с математическими моделями и с подопытными животными. И вот, наконец, недавно появляются победоносные заголовки новостей: «Ученые поселили в мозгу крыс электронную память», «Ученым удалось сделать апгрейд мозга». Группа исследователей из UCLA и университета Уэйк Форест сделала чип, функционально замещающий участок гиппокампа у крысы, и экспериментально проверила, хорошо ли он работает.
Крысу нельзя спросить: «Помнишь ли ты?». Для проверки памяти у животных использовали распространенный тест DNMS (delayed nonmatch-to-sample memory task). Крысу помещали в квадратную камеру, в одной из ее стенок имелась поилка, а справа и слева от нее — рычаги, которые экспериментатор мог предъявлять животному или прятать. Сначала крысе показывали один рычаг, справа или слева от поилки, и в ответ на нажатие крыса получала каплю воды. (Естественно, эксперимент организовали так, чтобы у подопытного было желание сотрудничать: крыса не умирала от жажды, но пить хотела.) Потом ничего не происходило до тех пор, пока крыса не касалась носом ячейки с фотоэлементом в противоположной стенке камеры. Тогда крысе предъявляли уже два рычага, и она должна была нажать рычаг не с той стороны, что в первый раз, а с другой: если сначала рычаг был справа, то во второй раз надо было нажимать слева, и наоборот. Выполнив задание правильно, крыса снова получала воду, если же она ошибалась, то воды не получала и в камере на пять секунд выключали свет. (Фаза задержки с поиском фотоэлемента нужна именно для того, чтобы проверить, записалось ли в память положение первого рычага — чем дольше задержка, тем больше вероятность, что крыса забудет, слева он был или справа.)
Понятно, что и при гадании вслепую меньше половины правильных ответов быть не может, но если их число при многократном повторении эксперимента с десятками животных существенно превышает 50 % — стало быть, крысы помнят, где был рычаг в первый раз. А если «назначить» группе подопытных тот или иной препарат, или подвергнуть их стрессу, или сделать с ними что-нибудь еще, что подскажет ученым фантазия, — по увеличению или уменьшению числа правильных ответов можно судить о том, как эти факторы влияют на память.
Когда в голове крысы закреплялась последовательность «один рычаг — фотоэлемент — другой рычаг», ей (наконец-то!) имплантировали электроды. В гиппокампе есть участки, обозначенные буквами СА (лат. cornu ammonis, «аммо-нов рог» — другое название гиппокампа). Важную роль в формировании долговременной памяти играет прохождение сигнала от САЗ к СА1. Крысе вживляли с каждой стороны головы (в правый и левый гиппокамп) по два ряда электродов, на расстоянии 200 мкм один от другого, а между рядами — 400 мкм, на глубину 3–4 мм от поверхности коры. Такое расположение как раз соответствовало нужным группам нейронов. В каждом ряду было восемь электродов. Помимо них, некоторым крысам вживляли канюлю — тоненькую трубочку, через которую можно вводить химические вещества прямо в нервную ткань зоны САЗ. После операции животные приходили в себя неделю, а затем начинались опыты.
Крыс подсоединяли к записывающей аппаратуре (конечно, таким образом, чтобы провода не стесняли движений). С каждого электрода писали информацию об электрической активности прилегающих нейронов.
Ключевым периодом для запоминания, что неудивительно, оказались несколько секунд между предъявлением крысе одного рычага и моментом нажатия. С некоторой натяжкой можно сказать, что мы увидели запись крысиных «мыслей»: «Ага, теперь правый» и «Ага, теперь левый». (Интересно, что паттерны активности в правом и левом полушарии были неодинаковыми.)
Эти результаты позволили довольно успешно предсказывать, выполнит крыса задачу или провалится, по наблюдениям за активностью ее мозга во время предъявления первого рычага. «Сильный» сигнал соответствовал отличному запоминанию — даже когда крыс заставляли промедлить лишние 10–20 секунд, они делали мало ошибок. Крысы, выдавшие «слабый» сигнал, как двоечники на экзамене, скатывались к позорным 50 %, чуть только их заставляли подождать подольше, но, если два рычага им предъявляли через считанные секунды, все-таки показывали удовлетворительный результат — короткая память у них была. Подобная методика может найти применение в диагностике нарушений памяти.
Однако впереди самое интересное: коррекция памяти. На электроды в области СА1 крысам транслировали «сильный» сигнал, и результаты существенно улучшались даже у тех, собственные сигналы которых были «слабыми». Протез выполнял свою функцию. В качестве дополнительного контроля подавали «бессмысленные» сигналы (мало ли, может быть, электроды просто стимулируют собственную активность клеток!), и они не дали эффекта.
Чтобы окончательно убедиться, опыты повторили на крысах, утративших способность запоминать. Через канюлю, расположенную рядом с электродами, в течение 14 дней вводили МК801 (дизоцилпин) — вещество, блокирующее перенос нейромедиатора глутамата. В итоге бедное животное, совсем как Генри Молашен, не могло запомнить событие, случившееся только что (хотя навык «один рычаг — фотоэлемент — другой рычаг» не утрачивало). Но когда беспамятной крысе передавали «сильный» сигнал, она вновь успешно справлялась с заданием. «Поверните рубильник, и крысы вспомнят. Выключите его, и крысы забудут», — с гордостью говорит доктор Бергер.
Что ж, повод для гордости есть. Сегодня никого не удивляет слуховой протез за ухом у бабушки или дедушки. Если дальнейшие исследования Бергера с соавторами будут успешными, возможно, для наших внуков такими же привычными будут пожилые люди (или молодые, по тем или иным причинам нуждающиеся в идеальной памяти) с двумя коробочками на висках. Кстати, а вы хорошо запомнили то, что сейчас прочитали?
НАЙДЕНО НОВОЕ ПЛОТОЯДНОЕ РАСТЕНИЕ
Малоизученное растение, которое вообще не считалось плотоядным, на поверку оказалось наделенным уникальным механизмом питания. Чтобы раскрыть этот секрет, ученым потребовалось целое десятилетие.
Род Philcoxia, живущий в тропической саванне Бразилии, ученые впервые описали в 2000 году. Трем найденным видам дали названия бразильских штатов — Р. bahiensis, P. goiasensis и P. minensis. Ботаники отметили, что редкие растения предпочитают регионы с обилием солнца и песчаными почвами, в которых мало питательных веществ.