Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
И на всякий случай, если вы думаете, что помещение мыши в виртуальный мир может исказить ее нейронную активность – это не так. Исследователи из лаборатории Карела Свободы создали целую фабрику по визуализации нейронов в мышином мозгу, когда мыши занимаются активной деятельностью в реальном мире. В исследовании, проведенном Саймоном Пероном, они визуализировали специализированный участок коры, который получает данные от вибрисс, в то время как мышь использовала их, чтобы найти столбик (а мышь хотела найти столбик, потому что он отмечал, в какой из носиков поилки будет подаваться вода) [144]. Даже в специализированной части коры, которая реагирует только на сигналы от конкретной вибриссы, они обнаружили, что активными были лишь 67 % нейронов. И снова – при условии подтягивания определения «активный» до критической точки, требующей хотя бы одного импульса каждые 100 секунд, что в десять раз дольше, чем вся последовательность задачи. На всех изображениях активных нейронов, которые нам удается зафиксировать, видно, что большинство нейронов отправляют импульсы реже чем раз в минуту.
Подобные исследования, с визуализацией при помощи красителей, постоянно демонстрируют наличие в коре головного мозга молчаливых нейронов, но оставляют открытыми множество вопросов. Возможно, есть какие-то технические проблемы с используемыми нами флуоресцентными веществами? Может, они не регистрируют отдельные импульсы и поэтому нейроны выглядят менее активными, чем на самом деле? Или флуоресцентные вещества усваиваются не всеми нейронами? Но в этом случае «безмолвными» нейронами могут быть только те, внутри которых нет флуоресцентной краски. Или краситель их повреждает? В этом случае возможен вариант, что само поступление внутрь клетки химического вещества заставляло нейроны прекращать генерировать импульсы. Стоит уточнить, что большинство исследований с визуализацией, включая все вышеперечисленные, позволяют видеть нейроны во втором и третьем слоях, как раз в верхней части коры, потому что свету труднее проникать в последующие слои и, следовательно, нам труднее снимать видео. Поэтому не исключено, что в именно в этих слоях коры есть что-то особенное, а более глубокие нейроны весело испускают импульсы, уносящиеся по аксонам прочь, но мы их просто не видим. Как и в любой другой области науки, каждая новая технология позволяет получать интереснейшие ответы, но ставит не меньше новых вопросов. Однако теперь, с помощью феноменально сложной техники локальной фиксации потенциала, ученые доказали, что молчаливые нейроны действительно существуют.
Традиционно нейробиологи просто опускали тонкие иголки из серебра, нержавеющей стали или стекла в мозг, размещали кончик этой иглы рядом с телом нейрона и записывали электрические всплески. Но при локальной фиксации потенциала методом пэтч-клэмп исследователи находят нейрон в мозгу животного при помощи стеклянной пипетки – трубки с конусообразным кончиком диаметром 1–2 микрона, пытаясь физически прикрепиться к его мембране, «присосаться» к ней. Экспериментаторы находят нейроны только путем физического контакта, поэтому не полагаются на его активность. У метода локальной фиксации есть свои недостатки: к большому нейрону легче присосаться, чем к маленькому, а при работе на живом животном до сих пор нет возможности видеть, что вы делаете, – но, что важно для нас, нейрону необязательно быть активным. После присоединения к клетке можно воспроизвести животному какой-нибудь звук или заставить его прикоснуться к чему-либо и посмотреть, станет ли нейрон с прикрепленным к нему электродом активным.
В большинстве случаев ответ – нет, не станет. Томаш Громадка из лаборатории Тони Задора в Колд-Спринг-Харбор прикрепил электроды к целому набору нейронов в первой части слуховой коры (A1) крысы и обнаружил, что у бодрствующих животных бóльшую часть времени большинство из них молчали [145]. Причем молчали независимо от того, сидело ли животное в тишине или прослушивало чрезвычайно скучную подборку неестественных чистых тонов из динамиков. Воспроизведение звуков вызывало очень слабую реакцию в той части коры головного мозга, которая больше всего реагирует на звук. Дэн О’Коннор, работавший тогда в лаборатории Карела Свободы на кампусе Джанелия, прикрепил электроды к нейронам в том отделе коры головного мозга, который демонстрировал активность, когда мышь использовала усы, чтобы найти столбик перед поилкой [146]. Угадаете, что он обнаружил? Большинство этих нейронов чаще всего молчали. Даже когда вибриссы активно двигались, ощупывая столбик. В других исследованиях экспериментаторы тоже неизменно обнаруживали множество молчащих нейронов во всех слоях коры головного мозга [147].
Теперь мы уже понимаем, что это молчание ни для кого не было секретом. Теоретики давно выяснили, сколько нейронов должно находиться в пределах радиуса регистрации электрода, опущенного в кору головного мозга грызуна. Простая физика говорит, что чем больше расстояние между электродом и нейроном, тем слабее будет сигнал. Мощность сигнала должна падать примерно экспоненциально – сначала быстро, затем медленно – с увеличением расстояния. И можно вычислить расстояние, за пределами которого сигнал станет слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить с помощью вашего оборудования, потому что он будет неотличим от шума. Итак, теоретики вычислили, на каком расстоянии нельзя обнаружить импульсы на фоне шума, если разместить электрод среди совокупности нейронов, упакованных так же плотно, как в коре головного мозга, и подсчитали, сколько нейронов будет располагаться внутри этого радиуса. Ответ: минимум сто [148].
Но когда нейробиологи опускают один электрод в нужное положение, они видят в лучшем случае несколько импульсов от разных нейронов (мы можем определить, что они от разных нейронов, если регистрируемые импульсы постоянно имеют разную амплитуду). Ничего подобного активности сотни нейронов. Даже десятков. Отсюда последовал вывод: большинство нейронов молчат [149].
Ирония заключается в том, что наличие темных нейронов необходимо для того, чтобы вообще иметь возможность регистрировать активность в коре головного мозга. Если бы значительная часть из этой сотни нейронов посылала импульсы, десятки тысяч экспериментов не увенчались бы успехом, поскольку вход прибора был бы просто забит непрерывными колебаниями напряжения, на фоне которых отдельные импульсы от отдельных нейронов теряются. Не имея возможности различать активность отдельных нейронов, мы не смогли бы измерить ее, изучить, определить, на что они реагируют, а на что нет. Не было бы Нобелевской премии Хьюбела и Визеля в 1981 году за открытие простых и сложных клеток в зрительной зоне V1. Не открыли бы ни частотно-чувствительные клетки в слуховой коре, ни клетки определения местоположения в гиппокампе. Оказывается, нам нужно поблагодарить темные нейроны за возможность понимать процессы, происходящие в нервной ткани.
Длинный хвост
Что же я имею в виду, называя нейроны «молчаливыми»? Пока
