Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Туда и обратно
Если последовательно перепрыгивать из одной зоны в другую, двигаясь вперед, как это делали мы, зрительная система кажется организованной в аккуратную иерархию. Информация передается от области к области, каждая из которых создает все более сложное представление о видимом мире. Отчасти так оно и есть. Когда программисты тренируют глубокие нейронные сети на огромных наборах изображений объектов, где простые модели нейронов связаны жесткой последовательностью, в которой исходящие сигналы одного передаются только дальше к следующему, они обнаруживают, что их сети напоминают грубые контуры иерархии, как на шоссе «Как» [101]. Первые слои похожи на V1, реагирующие на простые границы, со все более сложными реакциями на последующих уровнях, воспроизводя все более сложные реакции на объекты при движении от V1 через V2 до V4 [102]. При достаточном количестве слоев такие глубокие сети могут даже воспроизводить способность нейронов височной доли отправлять импульсы при распознавании определенных форм. И чем ближе нейросеть приближается к способности человека относить изображенный объект к правильному типу – например, автомобиль, стул или стол, – тем больше работа последних слоев этой сети напоминает активность нейронов височной доли [103]. При движении из глаза в зоны распознавания представление о шоссе как о приблизительной модели последовательной иерархии является полезным практическим правилом, схематическим руководством к пониманию глубокой сложности зрительного мозга [104].
Нет никаких сомнений в том, что зрительная система далека от строгой иерархии, и эти две магистрали совершенно точно многократно пересекаются. Мы знаем, что они сходятся в далеких от V1 областях коры головного мозга, таких как дорсолатеральная префронтальная кора, которую мы посетим позже, в седьмой главе. Между магистралями явно существует перекрестная связь, позволяющая импульсам нейронов, расположенных на одной из них, влиять на нейроны другой [105]. И, что особенно важно, повсюду есть обратная связь, от V2 к V1, от V4 к V2 – везде [106]. Когда мы вместе с импульсом мчались вперед, от глаза через V1 и далее, бесконечные потоки импульсов проносились мимо нас в другую сторону, по встречной полосе, возвращаясь назад к V2 или обратно к V1. Как будто первым зрительным областям необходимо знать, о чем уже узнали последующие. В десятой главе мы увидим, что, возможно, так и есть.
Даже внутри иерархии, если копнуть поглубже, обнаруживаются нюансы. На крупномасштабной карте магистрали «Как» и «Что» показывают связи, проходящие через огромные участки коры головного мозга. Но на уровне отдельного нейрона, вероятно, существует строгая логика для соединения ветвей его аксона с дендритом каждого конкретного нейрона, поскольку они предназначены для передачи сигнала на определенные типы нейронов в определенных подгруппах из сотен миллионов нейронов, которые мы называем V2 или V4. Мы только-только начали расшифровывать формулы этой логики для зоны V1 [107], используя новую безумную технологию – штрихкодирование РНК.
Возьмите цепочку синтезированной РНК с уникальной сигнатурой. Введите ее в нейрон в V1. Теперь подождите. Эта нить РНК будет транспортироваться по аксону нейрона, куда бы он ни шел. Чтобы узнать, попадает ли он в область X, вырежьте эту область и секвенируйте ткань на наличие этой уникальной РНК. Если она там есть – бинго, ваш нейрон соединяется с областью X. Прелесть этого подхода заключается в том, что вы можете ввести столько уникальных маркеров и в такое количество нейронов, на сколько у вас хватит времени и терпения, а затем провести секвенирование для каждого в образце ткани, который вы вырезали. В результате можно установить точную картину связей между сотнями отдельных нейронов, в масштабе, который когда-то считался невозможным.
Как показало РНК-штрихкодирование зрительной зоны V1 мыши, в соединениях этих сотен нейронов действительно существует жесткая логика. Команда Мрсич-Флогеля (да-да, снова эти ребята) ввела маркерную РНК в нейроны V1 у мышей, а затем секвенировала образцы из шести областей зрительной коры, которые потенциально могли содержать целевые клетки для аксонов нейронов из V1. Оказалось, что половина нейронов V1 имеет связь с двумя или более из шести, но это были не случайные комбинации. Вместо 16 возможных – при случайном распределении – комбинаций из двух, трех или четырех целей среди соединений доминировали всего четыре комбинации. Получается, половину нейронов в V1 можно отнести к одной из четырех групп в соответствии с комбинацией соседних областей коры, куда они посылают свои сигналы. Однако пока это лишь аппетитный привкус грядущих открытий. Мы довольно много знаем о том, как нейроны головного мозга взаимодействуют с соседними, гораздо меньше – об их связях на больших расстояниях, и почти ничего – о том, как они взаимодействуют с противоположным полушарием мозга.
По другую сторону
Когда мы покинули V1 и погрузились в белое вещество, один из клонов импульса попрощался с нами на развилке, отправившись по идущей вбок ветке нашего аксона, чтобы пересечь борозду между полушариями. Эта ветвь – один из миллионов аксонов мозолистого тела, мощного пучка проводов, соединяющих кору левого и правого полушария. Если бы мы могли клонировать себя, мы бы тоже отправились по этому кабелю с гонцом, несущим свое послание для поддержания хрупкого мира между левой и правой половинами мозга.
Проблема в том, что я понятия не имею, куда бы нас привел этот путь. Насколько известно картографам мозга, мы почти наверняка оказались бы в той же области головного мозга на другой, зеркальной стороне. Из V1 слева в V1 справа. Из левой V2 в правой V2. В другие зоны, которые имеют дело со зрением? Возможно. Где-нибудь еще? Мы понятия не имеем. Мы вообще очень мало знаем о путешествиях импульсов между корой двух полушарий. Одна из причин заключается в том, что до сих пор просто не существовало технологии для одновременной регистрации одиночных импульсов от множества отдельных нейронов в разных областях коры головного мозга. В том числе в разных областях коры обоих полушарий. А еще дело в том, что разбираться даже с функционированием только одной зоны одного полушария невероятно сложно. И нам еще предстоит бесконечное множество открытий. Иметь дело с двумя полушариями вдвое сложнее.
Однако технологии развиваются. Например, уменьшая разрешение микроскопов и одновременно регистрируя активность больших областей коры обоих полушарий мыши, мы видим, что активность обычно синхронизируется между одинаковыми областями с двух сторон [108]. И
