Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис
Движущей силой золотого века системной нейробиологии является позитивный накал технологической гонки вооружений – стремления фиксировать как можно больше импульсов от как можно большего числа нейронов одновременно. Действительно, в нейробиологии есть собственный эквивалент закона Мура [314]: количество одновременно регистрируемых сигналов индивидуальных нейронов удваивается каждые несколько лет. В 2011 году прогнозировалось, что количество регистрируемых нейронов будет удваиваться каждые 7,4 года; в начале 2020 года, по прогнозам, темп удвоения составлял 6,4 года [315]. Нет никаких признаков снижения этого темпа.
Зонд Neuropixels прекрасно иллюстрирует, как происходит это удвоение. Впервые он появился в 2017 году, представляя собой что-то вроде авторучки, из которой выдвигается тонкая силиконовая полоска, глубоко вставляемая в мозг животного и настолько плотно заполненная контактными площадками, что каждый зонд может регистрировать отдельные импульсы, исходящие от двух сотен нейронов [316]. Если имплантировать несколько таких зондов в один мышиный мозг, можно получить возможность регистрировать активность до 1000 нейронов одновременно [317]. Это позволяет записывать нейроны, рассредоточенные по всему мозгу. Поскольку эти зонды длинные, а кора головного мозга грызуна имеет толщину менее миллиметра [318], 10-миллиметровая силиконовая полоска проходит глубоко в мышиный мозг, записывая импульсы из многих областей, которые до сих пор никогда не регистрировались вместе в одно и то же время [319].
Это позволяет сделать простой, но многозначительный прогноз о том, что станет с нашим пониманием импульсов в ближайшем будущем: оно снова будет перевернуто с ног на голову. Выполняя запись из множества областей мозга одновременно, мы наверняка опровергнем множество хороших теорий о том, что часть мозга X отвечает за выполнение действия Y. Когда мы сможем видеть импульсную активность во многих областях мозга одновременно, мы, скорее всего, обнаружим, что многие регионы вовлечены в одно и то же действие – в принятие решений, движение, запоминание, восприятие – и, что очень важно, многие из этих регионов даже не находятся в коре головного мозга. На самом деле мы можем оказаться на пороге нового взгляда на мозг, менее ориентированного на первенство кортекса в его высших функциях.
Если быть более конкретными, мы можем сделать два довольно уверенных прогноза относительно тех типов данных, на которые можно рассчитывать в ближайшем будущем. Первый – это просто регистрация большего количества импульсов от большего количества нейронов одновременно, чем мы могли представить всего десять лет назад. Существующая технология визуализации кальция в нейронах дает намек на то, сколько импульсов мы можем различать. Верхними пределами этой технологии будет визуализация около десяти тысяч нейронов одновременно у млекопитающих и десятков тысяч у мальков рыбок данио [320]. (Почему рыбки данио? Потому что у них полупрозрачные головы! Светящееся химическое вещество в их мозгу можно просто снимать на видео снаружи.) Визуализация кальция напрямую не регистрирует импульсы; она фиксирует более медленные изменения концентрации кальция внутри тела нейрона, вызванные импульсами. Это полезная информация об импульсной активности, но она не обеспечивает четкого и однозначного соответствия между генерацией импульса и изменением концентрации кальция [321].
Тем не менее развитие технологии визуализации кальция означает, что мы уже разработали весь необходимый нам набор технических средств – микроскопы, системы перемещения камер, программное обеспечение для анализа – для записи изображения активности многих тысяч отдельных нейронов. Итак, все, что нам теперь нужно сделать, – это заменить химическое вещество, чтобы яркость свечения, которая пропорциональна концентрации кальция, была пропорциональна и электрическому потенциалу в теле нейрона. Тогда в принципе мы получим возможность визуализировать импульсы тысяч нейронов.
И мы уже (почти) можем это сделать.
Визуализация напряжения – это прямая видеосъемка свечения молекул, реагирующих на изменение электрического потенциала. По правде говоря, эта технология известна уже несколько десятилетий [322]. Но до сих пор мы могли использовать ее только для изучения импульсов одиночных нейронов у простых беспозвоночных, у пиявок и аплизий, потому что у них есть гигантские нейроны, производящие небольшое количество импульсов [323]. Просто потому, что визуализация напряжения намного менее чувствительна по сравнению с визуализацией кальция; при визуализации напряжения мы пытаемся регистрировать гораздо более быстрые явления – импульсы – и с гораздо, гораздо меньшим количеством химического вещества, которое может светиться в ответ на изменение потенциала. В отличие от химических веществ для визуализации кальция, которые могут заполнять тело нейрона, чувствительные к напряжению люминесцирующие вещества могут находиться только в мембране нейрона, потому что именно там есть перепад потенциала, как мы узнали в начале второй главы. Грубо говоря, количество химического вещества, чувствительного к кальцию, будет пропорционально объему тела нейрона, а чувствительное к напряжению химическое вещество пропорционально только площади его мембраны, что означает намного меньшее его количество и намного большие сложности с детектированием его свечения. Таким образом только действительно гигантские нейроны – с огромной площадью поверхности – могут содержать достаточно чувствительного к напряжению химического вещества, чтобы изменения их потенциала можно было обнаружить по его свечению. И только у беспозвоночных мы можем найти такие гигантские нейроны с телами в десятки микрометров в поперечнике. Только в этих существах мы могли напрямую использовать магию непосредственной видеосъемки импульсов.
Все это скоро изменится. В 2019 году произошел ряд прорывов в разработке новых типов люминесцирующих веществ, чувствительных к напряжению, – они светятся намного ярче, изменяют состояние намного быстрее и намного более стабильны. Наконец-то и у млекопитающих стала возможна надежная визуализация электрического потенциала множества отдельных нейронов одновременно [324]. Теперь все, что нам нужно, – это масштабирование, чтобы постепенно перейти от единиц, как сейчас, к десяткам, сотням, тысячам нейронов.
Пока что такое использование визуализации напряжения еще впереди, и оно будет вторым прогнозом, который мы дадим, о типе данных, которые мы сможем получить в будущем. Поскольку мы будем визуализировать потенциал на мембране нейрона, теоретически мы сможем увидеть больше, чем просто импульсы. Мы сможем видеть все мерцания напряжения перед каждым срабатыванием нейрона. Все эти всплески потенциала, созданные его входящими сигналами. Для этого нужны сверхъяркие, сверхбыстрые и сверхстабильные люминесцирующие вещества, и они наверняка появятся. И, наблюдая все эти мерцания, мы сможем увидеть, что именно вызвало импульс. Мы сможем детально проследить весь маршрут от входного всплеска потенциала на синапсе через импульс к всплеску в следующем дендрите, от всплеска к импульсу, от импульса к всплеску и так далее…
Если экспоненциальное развитие регистрации сигналов нейронов пойдет своим чередом, однажды мы сможем записывать каждый импульс, посылаемый каждым отдельным нейроном во всей коре головного мозга мыши. О, это будет счастливый день! Какие чудеса
