Книга: Какой объем мозга нам реально нужен?
Назад: 8 Оптимизация: насколько мы можем улучшить мозг за время жизни?
Дальше: Благодарности
9
Что ждет современный мозг: сможем ли мы сохранить интеллектуальную силу или даже искусственно увеличить ее?
Представители человеческой расы готовы прилагать какие угодно усилия, чтобы стать как можно красивее. Люди по всему миру тратят на косметику 180 млрд долларов в год. В 2014 году врачи Американского общества пластических хирургов (American Society of Plastic Surgeons) сделали более четверти миллиона операций по установке имплантов груди, заработав на этом более миллиарда долларов. Насколько далеко мы готовы зайти, чтобы заставить мозг работать лучше?
Что, если с помощью одного нажатия на кнопку, таблетки или разряда электрического тока вы могли бы увеличить IQ, повысить мотивацию или стать привлекательнее? На подобных идеях уже много лет строятся научно-фантастические литературные сюжеты. В этой главе мы разберем, насколько они близки к реальности.
Также мы подумаем о том, какие движущие силы эволюции могут действовать на мозг прямо сейчас. Мы знаем, что человеческий мозг уже много тысяч лет постепенно ужимается с тех пор, как достиг пика физического развития, но что его ждет в будущем? Рынок имплантов груди наглядно демонстрирует нам, что половой отбор, скажем так, еще не полностью обусловлен привлекательностью мозга потенциального партнера, поэтому на мозг, чтобы он стал лучше, действует совсем небольшое эволюционное давление. При этом многие аспекты окружающей среды, в которой наш мозг растет, работает и к которой адаптируется, быстро меняются – например у нас появились экраны перед глазами и мы проводим перед ними большую часть рабочего и свободного времени. Следовательно, мы можем сделать кое-какие прогнозы не только о том, как наука и технологии улучшат работу мозга, но и о том, в чем наш мозг больше не будет нуждаться.
Таблетки для ума
Очевидно, что начинать надо с таблеток, повышающих умственные способности. Иногда их называют ноотропами, но это не одна категория веществ. Так скорее принято называть любой рецептурный препарат, безрецептурное средство или даже непроверенные растительные добавки, якобы усиливающие когнитивные функции. Нашумевший фильм 2011 года «Области тьмы» рассказывает о невероятных возможностях и проблемах, которые может привнести в мир реально действующий ноотропик. Благодаря вымышленному ноотропному препарату NZT‐48 писатель с массой жизненных сложностей, персонаж Брэдли Купера, начинает использовать огромную емкость мозга и превращается в человека, зарабатывающего миллионы на фондовом рынке и представляющего сенат США. Однако вместе с материальным успехом лекарственное средство приносит и серьезные проблемы: многие, кто его принимал, либо умерли, либо были госпитализированы из-за побочных эффектов. Чтобы поддерживать поставку препарата, главному герою приходится выполнять работу, которую большинство из нас сочло бы довольно сомнительной с нравственной точки зрения. В фильме не говорится, повлиял ли как-то препарат NZT‐48 на здоровье героя в будущем, но, определенно, его жизнь стала полноценнее и, конечно, опаснее. Важный момент сюжета состоит в том, что это нелегальное и секретное лекарство, доступное лишь избранным. Это дает Куперу главное конкурентное преимущество во всем, за что он берется, однако с тем, чтобы обеспечить постоянную и безопасную поставку лекарства, есть организационные проблемы.
«Области тьмы» – отличная история. Насколько она близка к реальности? Безусловно, в фильме показано много этических проблем, связанных с разработкой препаратов, стимулирующих когнитивные функции, включая вопрос о том, какие побочные действия можно считать приемлемыми и уравновешивающимися лучшей работой мозга, а также о том, как регулировать дозировку препарата, чтобы влияние на человечество в целом было положительным и правомерным. В области научной фантастики открытым остается вопрос, насколько эффективным был NZT‐48. Сейчас не существует лекарств, оказывающих хоть сколько-нибудь близкий к тому, что описан в фильме, эффект на познавательные способности человека.
Однако мы все больше и больше понимаем, как могут выглядеть средства для стимуляции умственной деятельности и как они могут работать. Например, есть лекарства, которые можно давать при болезни Альцгеймера. Они улучшают память и другие когнитивные функции пациентов примерно на год или два. Действуют эти лекарства за счет повышения уровня нейромедиатора ацетилхолина, компенсируя таким образом один из механизмов, который перестает работать при этом заболевании. Если лекарство будет принимать здоровый молодой человек, не страдающий недостатком ацетилхолина, оно не слишком усилит когнитивные функции мозга. Вряд ли подобные лекарства произведут такой же революционный эффект, как в фильме «Области тьмы».
Однако есть одна группа рецептурных препаратов, которые принимают в надежде стать умнее, и это лекарства, которые используют для лечения синдрома гиперактивности и дефицита внимания (СДВГ). Это нарушение развития мозга, которое может серьезно сказаться на учебе и на работе, а также на отношениях в обществе и семье. Один из классов лекарств, которые помогают при СДВГ, – это стимуляторы. На людей с СДВГ эти лекарства действуют таким образом, что к нейронам в префронтальной коре поступает больше нейромедиаторов – норадреналина и дофамина, стимулирующих активность в участках мозга, которые связаны с познавательной деятельностью. Считается, что у людей с этим синдромом они малоактивны.
Есть доказательства, что люди без симптомов СДВГ тоже могут немного улучшить когнитивные способности, принимая эти лекарства. Проводилось контролируемое исследование, в котором участвовало небольшое количество здоровых испытуемых. Они через день принимали то лекарство, то идентичные по внешнему виду плацебо. Результаты показали, что даже у людей без СДВГ стимуляторы могут немного улучшить память, а у некоторых – и другие аспекты познавательной деятельности.
Можно подумать, что все прекрасно, но есть ли какие-то недостатки? Скажем так, некоторые стимулирующие лекарства вызывают зависимость, а также оказывают разные побочные эффекты на организм: у человека повышается давление, учащается сердцебиение, нарушаются сон и аппетит. Все это может быть опасно для здоровья, особенно если принимать лекарство часто и без наблюдения врача. Поэтому «таблетки для ума» не получили широкого распространения, и по популярности их обошли препараты с меньшим количеством побочных эффектов. Изначально они предназначались для людей с расстройствами сна и помогали им оставаться бодрствующими и сохранять внимание. Химически они действуют на мозг тоньше, не вызывая привыкания.
По оценкам, примерно 90 % подобных лекарств продаются легально, по рецептам врачей, но при этом совсем не для того, для чего их официально испытывали и выпускали в Управлении по контролю за продуктами и лекарствами США – от расстройства сна. Вместо того чтобы лечить симптомы сильной утомляемости и вялости, появившиеся вследствие болезни или под действием других лекарств, такие препараты используются военными и другими государственными структурами, чтобы войска оставались в боевой готовности и дольше сохраняли бдительность во время длительных сражений или на задании, а также их принимают студенты и те, кто верит, что от них голова начинает работать лучше. Рынок довольно большой, подобные вещества широко продаются без рецепта (нелегально). По данным опросов американских и британских студентов, примерно 10–20 % из них использовали одно из таких лекарств за прошедший год.
У этих веществ есть два разного рода преимущества, объясняющих их популярность среди тех, у кого нет когнитивных нарушений, связанных со сном. Во-первых, есть вероятность, что они вызывают ощущение удовольствия от занятий не такими уж приятными делами, например от зубрежки материала к экзаменам. Во-вторых, некоторые когнитивные функции высшего уровня явно улучшаются, например кратковременная память, способность планировать и подавлять неуместные или импульсивные реакции. Обычно это воздействие очень незначительное. Однако даже небольшое улучшение когнитивных способностей, концентрации внимания или способности справляться с довольно скучными делами, дает определенным категориям людей значительные преимущества: студентам, проводящим много времени на вечеринках; рабочим, делающим монотонную работу, требующую внимательного отношения к безопасности; и даже оперирующим хирургам, авиадиспетчерам и военным командующим, то есть людям тех профессий, где усталость и когнитивные нарушения могут иметь смертельные последствия.
У людей с болезнью Альцгеймера или СДВГ действие препаратов направлено на коррекцию нейрохимического дисбаланса: лекарство улучшает функцию, если у пациента в каком-то участке мозга она работает недостаточно хорошо. Многие здоровые люди отмечают, что у них повышаются мотивация и концентрация, при этом речь не идет об улучшении умственных способностей. Непонятно, могут ли существующие в настоящее время лекарства улучшить познавательные способности у того, чей мозг уже функционирует оптимально, то есть когда у человека все в порядке с нейрохимией, со сном, ему не скучно работать и он не слишком устает. Нужно сказать, что большинство из нас уже используют вещество, положительно влияющее на когнитивные функции, чтобы немного взбодриться или сконцентрироваться: это кофеин. Чрезмерное употребление кофеина, как и других стимуляторов, может вызвать нервозность, учащенное сердцебиение и проблемы со сном, но, в отличие от всех этих новых лекарств, он недорогой, не запрещен законом и широко доступен в продаже – на любой вкус. В конце концов, трудно понять, действительно ли ноотропы, которые мы можем сейчас купить, намного эффективнее кофеина. Им далеко до тех, о которых мы узнали из фильма «Области тьмы».
Основная причина кроется в том, что разработка нового лекарства – довольно тонкий бизнес. Таблетка, которую в конечном итоге глотаю я или вы, – очень сложное химическое соединение: она должна раствориться в желудке, всосаться в кровь и подействовать именно на ту часть организма, для которой она предназначена, причем вскоре должен последовать желаемый результат. Если это таблетка от головной боли, то эффект должен проявиться как можно скорее. Однако если цель – скорректировать количество серотонина в определенном участке мозга, нам бы хотелось, чтобы это происходило постепенно и чтобы между дозами лекарства деятельность мозга, связанная с серотонином, проходила плавно. Чтобы попасть в мозг, лекарство должно преодолеть огромное физическое препятствие: гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Это высокоизбирательная мембрана, окружающая мозг, она не позволяет всем веществам, которые циркулируют в крови, проникнуть в мозг. ГЭБ предназначен для того, чтобы не пропускать в мозг вещества, которые способны ему навредить, например необходимые для других функций организма, а также токсины, которые могут оказаться в крови. Недостаток ГЭБ заключается в том, что он серьезно ограничивает количество типов веществ, которые могут входить в состав лекарств, действующих на мозг. В особенности трудно его преодолеть более крупным и сложным молекулам. Поэтому, если мы всерьез задумываемся о том, чтобы улучшить работу мозга в будущем, нам нужно рассмотреть какие-то другие способы помимо лекарств.
Что есть помимо лекарств: новые способы активировать мозг
Помимо технических сложностей, которые мы только что обсудили, таблетки еще и довольно бесполезны в том, что касается воздействия на мозг. Неужели нет каких-то других способов напрямую влиять на нейронные цепи?
На самом деле этих способов множество, и некоторые из них считаются наилучшими в медицинской практике, поскольку были опробованы. Действенным методом при лечении сложных случаев депрессии и некоторых других психических расстройств считается электросудорожная терапия (ЭСТ); обычно ее применяют, если медикаментозная терапия не действует. К голове пациента присоединяют два электрода и пропускают между ними электрический заряд. Неудивительно, что исторически это считалось последним средством, поскольку раньше не было так усовершенствовано, как сейчас, и побочные эффекты, например потеря памяти, были нередким явлением. Современная ЭСТ оптимизирована больше и позволяет свести к минимуму побочные эффекты, при этом ее проводят под наркозом. Один сеанс ЭСТ оказывается действенным примерно для половины пациентов с глубокой депрессией, на которых уже не действуют никакие другие методы лечения (для психических заболеваний это очень хорошая статистика).
Считается, что ЭСТ как бы перезапускает электрическую и химическую деятельность в мозге в кратчайший период и провоцирует рост новых нейронов в будущем. Есть и другие способы внешней стимуляции, разработанные для того, чтобы не так радикально «перезапускать» нейроны. Эти методы можно применять более точечно на определенные области мозга, и они не так болезненны, поэтому пациенту не дают наркоз. Наиболее распространенный из них – метод транскраниальной стимуляции постоянным током, или транскраниальной микрополяризации, ТКМП. Здесь применяют постоянный электрический ток, пропуская его через определенную область мозга, располагая два электрода на коже головы. Ток используют для возбуждения или подавления нейронов в области, на которую нацелены электроды: поскольку этот метод не улучшает и не ухудшает когнитивные функции, он показывает перспективы лечения от депрессии, инсульта и некоторых других заболеваний мозга и считается достаточно безопасным при однократном применении. Сейчас приборы ТКМП одобрены в Европе для лечения депрессии, но при этом не одобрены в США, где нет достаточного количества доказательств, подтверждающих эффективность процедуры.
О ТКМП сказать необходимо, однако есть методы, которые начали применять гораздо раньше, например тот, где вместо электрического тока для изменения возбуждения нейронов используют магниты. Чтобы пациент получил транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС), необходимо закрепить у него над головой специальную электрическую катушку, направленную под углом к той области мозга, на которую нужно воздействовать. С помощью этой катушки мозг стимулируют наведенным электрическим током невысокого напряжения, используя быстрые изменения в напряженности создаваемых магнитных полей. ТМС довольно широко применяется и считается эффективным методом лечения различных заболеваний, включая мигрени, невропатическую боль и депрессию, хотя на вид напоминает непонятный прибор со школьного урока физики. Однако есть одна загвоздка. Подобно тому как действие лекарства ограничено необходимостью преодолеть защиту в виде гематоэнцефалитического барьера, сигналы ТКМП или ТМС тоже должны пройти сквозь череп, чтобы воздействовать на нужную область мозга. А поскольку череп – это кость, он не очень хорошо проводит электричество. В результате у этих методов есть одни и те же ограничения, и в том, насколько точно они могут воздействовать на конкретную область мозга, и в том, насколько глубоко они могут проникать. Если мы говорим о большом участке на внешней поверхности коры головного мозга, то проблемы нет. А что, если вам нужно воздействовать на небольшой участок, спрятанный глубоко в мозге?
Рис. 7. Транскраниальная стимуляция постоянным током
Если так, то мы переходим к прямой стимуляции мозга, когда электроды имплантируются в мозг. Сами электроды находятся на концах проводов, проходящих под кожей и ведущих к прибору управления, находящемуся обычно прямо под ключицей. Это не простая операция, поэтому ее делают только пациентам с определенным типом болезни Паркинсона, идиопатическим дрожанием, эпилепсией, депрессией и обсессивно-компульсивным синдромом. Глубокая стимуляция головного мозга (ГСМ) считается безопасным и эффективным методом лечения в тех случаях, когда лекарства не работают. По сравнению с менее инвазивными методами, такими как ТМС или ТКМП, имплантировать электрод можно к конкретному участку мозга, что позволяет воздействовать на него точнее и добиться большего эффекта. Максимальных успехов в этой области удалось достичь, имплантируя электроды к базальным ядрам, важной группе узлов, находящихся глубоко в центре мозга. Они контролируют различные аспекты, связанные с произвольными движениями, а также некоторые когнитивные функции и эмоции. Когда в базальных ядрах умирают дофаминергические клетки, проявляются неприятные симптомы болезни Паркинсона, включая неспособность инициировать определенные движения и неподвижность некоторых частей тела. ГСМ позволяет пациентам снова начать контролировать эти симптомы. Также она считается революционным методом лечения других неврологических заболеваний, при которых больной не может контролировать свои движения, что сильно осложняет повседневную жизнь.
За пределами биологии: мозговые импланты
Мы и не заметили, как постепенно стали жить в мире, где уже подумывают о возможности имплантировать механизмы в мозг. В качестве одного из примеров можно назвать прибор ГСМ, но это только начало.
Идея о том, что электронным прибором можно заменить неисправную деталь нейронного оборудования, не нова: кохлеарный имплант появился еще в 1980-е годы. Снаружи прибор выглядит очень похожим на слуховой аппарат, но функция у него совершенно иная. Слуховой аппарат находится снаружи и усиливает звуки, которые улавливаются ухом, а кохлеарный имплант позволяет «обойти» ухо и направляет электрический сигнал прямо в мозг. Устройство состоит из нескольких электродов, имплантированных в улитку, костяную полость во внутреннем ухе. Внешний прибор, располагающийся за ухом, улавливает речевые сигналы и переводит их в электрические, которые поступают на электроды и передаются прямо на слуховой нерв. Кохлеарные импланты сперва предназначались только для взрослых, потерявших слух. Но в последнее время они все больше применяются у детей. Считается, что лучше всего поставить ребенку кохлеарный имплант до полутора лет, поскольку это важнейший период овладения языковыми навыками. Многие из тех, кому ставят имплант в таком раннем возрасте, учатся говорить и слышать практически на нормальном уровне.
Сейчас разрабатывают аналогичные приборы для слепых. Они могут включать еще и дополнительное устройство для захвата изображения, которое будет обрабатывать динамические картинки в реальном времени и отправлять их в виде электрических сигналов на имплантированные электроды. После этого сигнал будет идти на зрительный нерв или сразу на первичную зрительную кору, ту область, где зрительные образы обрабатываются в первую очередь.
Рис. 8.Кохлеарный имплант
© sciencephotolibrary
Как видите, устройства для помощи людям с сенсорными нарушениями – это уже не научная фантастика. Какие еще инструменты для мозга хотел бы иметь любой уважающий себя киборг?
Может быть, биомеханические конечности? Устройства, которые обходят поврежденные или отсутствующие нервы, чтобы можно было контролировать протезы непосредственно мозгом, становятся все более сложными и изощренными. Эти приборы считывают нейронную активность коры мозга, расшифровывают намерение человека, а затем используют расшифрованный сигнал, чтобы контролировать протезированную конечность или внешние детали, например компьютер или инвалидное кресло.
Одним из основных ограничений при создании таких устройств является невозможность обеспечить не только способность считывать сигналы, идущие от мозга, но и сенсорную обратную связь в режиме реального времени, чтобы пользователь мог точно управлять протезом (представьте, как трудно было бы нарезать мясо, если вы не чувствуете, с какой силой нужно давить на нож, или съесть банан, не зная, как сильно вы его сжимаете). Большая часть разработок в этой области в основном финансируется военными организациями, особенно в США, где большое количество ветеранов вернулись после боевых действий с ранениями, которые не позволяют им жить прежней жизнью. Это подталкивает власти задуматься о том, чтобы инвестировать деньги в подобные разработки. В 2015 году Управление оборонных исследований США (DARPA) заявило, что им впервые удалось разработать протез руки, замкнув петлю обратной связи между протезом и чувствительной и двигательными областями коры головного мозга. Протез предназначался для двадцативосьмилетнего человека, парализованного более десяти лет после травмы позвоночника. В отчете говорилось, что он не только смог управлять рукой с помощью мозга, он мог испытывать ощущения так же, как если бы у него была настоящая рука. В марте 2017 года BBC и другие новостные агентства передали новость о Билле Кочеваре, человеке с диагнозом «квадриплегия», то есть паралич четырех конечностей: ему удалось самому поесть картофельного пюре при помощи датчиков, имплантированных в двигательную кору для контроля имплантов в руке. Он впервые смог двигать рукой за последние восемь лет, прошедших после того, как он попал в аварию. Подобные случаи показывают, как быстро мы приближаемся к тому, чтобы объединить работу мозга и различных устройств.
Другой полезный нейрокомпьютерный интерфейс может помочь людям общаться в тех случаях, когда повреждена способность говорить. Пожалуй, самый известный пользователь такой системы – это профессор Стивен Хокинг, уже почти пятьдесят лет проживший с симптомами заболевания двигательных нейронов. Кафедра прикладной математики и теоретической физики в Кембридже, где работает профессор, – отличное место, дающее доступ к лучшим средствам связи, управляемым мозгом. Профессор Хокинг экспериментирует с разными вспомогательными системами, включая интерфейсы, контролируемые движениями мозга и глаз, и считает, что наиболее удобная и наименее утомительная в применении система на самом деле относительно проста. Она состоит из инфракрасного переключателя на оправе очков, который определяет, когда профессор дергает щекой, и таким образом управляет движением курсора на компьютере. Текст, который он пишет на компьютере, отправляется на синтезатор речи, так что Стивен Хокинг может принимать участие в беседах почти в реальном времени, а также читать предварительно записанные лекции и выступать перед публикой.
Коммуникационная система профессора Хокинга позволила ему продолжить феноменально успешную карьеру ученого, несмотря на ужасные последствия болезни в двигательных областях мозга. Для некоторых пациентов компенсация последствий заболеваний головного мозга и черепно-мозговых травм с использованием внешних технологий будет огромным шагом вперед. Кроме того, есть вероятность, что нейрокомпьютерные интерфейсы и нейронные протезы будут совершенствоваться так, что станут полезными для здорового мозга и помогут нам преодолеть ограничения скорости, интенсивности обработки информации или памяти, которые у нас есть сейчас. Системы искусственного интеллекта (ИИ), использующие огромную внешнюю вычислительную мощность для решения конкретных задач, в некоторых областях теперь работают лучше, чем человеческий интеллект. Тем не менее ИИ не настолько пластичен, как человеческий мозг, и это неудивительно, поскольку он не может сравниться с ним ни по сложности, ни по числу частей, ни по количеству миллионов лет, в течение которых наш мозг постепенно совершенствовался. Однако ИИ может обрабатывать специфические данные быстрее человека, причем проявляя гораздо больше выдержки, не уставая и не ошибаясь. Например, системы ИИ неоднократно побеждали лучших игроков в шахматы и го, где правила игры очень четкие и количество их ограниченно, а число возможных ходов и результатов того или иного хода система ИИ может рассчитать более эффективно, чем человеческий мозг, зависящий от разных факторов и способный ошибаться. Поскольку технологии протезирования и взаимодействия мозга и машины становятся все лучше, объединение их с мощными системами ИИ для обработки данных однажды может помочь нам действовать так же, как киборги.
При этом правда ли, что технология изготовления кремниевых схем – единственная надежда пациентов с нарушениями работы мозга? На самом деле некоторым пациентам стоит быть уверенными, что наилучший результат они получат совсем не благодаря компьютерам и машинам. Самое главное – это биологические процессы, позволяющие скорректировать патологические изменения при заболеваниях как можно ближе к источнику проблемы.
Меняем биологию на корню
Ранее мы уже обсуждали, что большинство болезней мозга и нарушений его работы имеют сложную генетическую природу, и значением обладает далеко не один ген, при этом действуют еще различные факторы окружающей среды. Есть вероятность, что рано или поздно геном младенца будет генерироваться при рождении. Сложная генетическая природа в сочетании с запутанной эпигенетикой означает, что мы вообще не сможем предсказать, какой окажется личность в будущем, какой у человека будет IQ или сохранится ли у него риск заболеть, основываясь только на этой последовательности.
Геномика тем не менее будет играть гораздо большую роль в лечении заболеваний, связанных с нарушениями работы головного мозга в будущем, поскольку с помощью генной терапии можно будет изменить генетически управляемый признак или биологическую функцию прямо у истоков. Основная идея здесь заключается в том, что генетический материал будет использоваться как лекарство для исправления или компенсации биологических дефектов, но так, чтобы можно было направить его действие на определенный орган или группу клеток, а также чтобы была возможность «включить» его или «выключить» по мере необходимости.
Давайте ненадолго вернемся к базальным ядрам. До этого мы говорили, что смерть дофаминергических клеток приводит к болезни Паркинсона. Еще один вариант развития событий, при котором работа этого важного участка мозга нарушается, – ситуация, когда нейроны подвергаются действию мутированной формы белка гентингтина. Из названия понятно, что мутации в гене, который кодирует белок гентингтин, выступают причиной болезни Гентингтона, редкого заболевания мозга, вызванного мутацией одного-единственного гена. Если бы мы смогли остановить мутацию белка гентингтина, то было бы одинаково просто остановить процесс умирания нейронов базальных ядер и симптомы болезни.
Первые попытки внедрения новой генетической терапии, направленной именно на это, были предприняты в конце 2015 года. Она заключается в том, что небольшое количество действующего вещества IONIS-HTTRx вводится в позвоночник, перемещается вверх по спинномозговой жидкости и в конечном итоге достигает нейронов головного мозга. Есть надежда, что препарат заставляет замолчать ген гентингтина в клетках, которых он достиг, значительно уменьшая количество белка гентингтина, который они производят. «Глушение» генов работает благодаря воздействию не на саму ДНК, а на РНК, промежуточное химическое вещество, необходимое для того, чтобы «перевести» рецепт, записанный в ДНК, в длинную цепь аминокислот, которая образует определенный вид белка. Таким образом, ДНК остается нетронутой, а РНК деактивируется, и клетка перестает производить ужасный белок гентингтин.
Еще слишком рано говорить о том, будет ли эта конкретная терапия (или подобные ей) безопасна и эффективна для человека. Однако «глушение» генов – не единственный трюк, который вскоре будут проделывать с мозгом. В последнее время появились удивительные технологические достижения, позволяющие редактировать код ДНК, полностью удаляя мутированную последовательность генов. Эти методы называются очень сложно: короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (CRISPR), и нуклеаза с цинковыми пальцами (ZFNs). Они основаны на приемах, позволяющих распознать определенную последовательность ДНК и разрезать молекулу ДНК в этом месте.
На практике это означает, что если бы мы могли безопасно использовать какие-то из инструментов редактирования на живой клетке, их можно было бы запрограммировать так, чтобы они вырезали только часть последовательности ДНК, вызывающую болезнь, и заменяли ее нейтральной частью (примерно так же работает программа редактирования текстов, просматривая ваше электронное письмо перед отправкой). В этом предложении важно слово «если»: эти инструменты для редактирования генов являются макромолекулами, которые нельзя давать в качестве лекарственного средства. Их нужно вводить непосредственно в мозг или присоединять к специально разработанному вирусу, после чего внедрять в мозг посредством хирургической процедуры. Если говорить об эмбрионе, то на ранней стадии может быть относительно легко ввести такой вирус, нацелив его на все клетки, из которых затем может развиться мозг, свободный от болезни Гентингтона. Работая со взрослым мозгом, намного сложнее гарантировать, что каждый нейрон, затронутый болезнью, будет заражен полезным вирусом.
Болезнь Гентингтона необычна тем, что ее может вызвать мутация всего лишь одного гена, однако это не единственное заболевание головного мозга, для лечения которого так остро необходим прорыв в методах генетики. Например, для лечения болезни Паркинсона в настоящее время существует несколько подходов на основе использования вирусов, и они показали себя довольно перспективными в клинических испытаниях на раннем этапе. Они нацелены на применение генной терапии, с помощью которой можно либо стимулировать рост нейронов в определенных областях, либо увеличить или уменьшить производство нейрохимических элементов в определенных частях базальных ядер.
Есть еще одна интересная возможность использования генной инженерии, она заключается в создании системы, в которой различные группы нейронов мозга могли бы «включаться» или «выключаться», если просто направить на них свет. Этот метод называется оптогенетикой. На первый взгляд он кажется слишком надуманным, но уже широко используется в лабораторных исследованиях. Данный метод опирается на то, что нейроны и другие клетки могут быть генетически изменены таким же образом, как мы обсуждали ранее, чтобы вырабатывать светочувствительные ионные каналы. Ионные каналы – это белки, находящиеся в стенках клеток. Они действуют как ворота: либо впускают разные виды ионов (заряженных частиц) внутрь, либо нет. Для нейронов ионные каналы особенно важны, потому что они определяют, когда нейрон будет активироваться, контролируя поток заряженных частиц и, следовательно, электрическое состояние клетки. Как только у клетки появляются новые светочувствительные ионные каналы, включение этого нейрона (или группы нейронов) можно проконтролировать, увидеть в буквальном смысле, направив на клетку свет. Метод позволяет проделывать совершенно удивительные вещи: мало того что исследователи контролируют, какие нейроны стали чувствительны к свету, они могут точно определить, когда эти клетки активируются, а когда выключаются.
Это прекрасный метод проверки поведения различных нейронных цепей в лабораторных экспериментах у живых существ. Вероятно, вы заметили одну неувязку: метод по-прежнему нуждается в том, чтобы небольшой участок измененного генетического кода попал в мозг, при этом теперь нужно иметь возможность там же получить и источник света! Так существует ли надежда, что ученым удастся найти такие методы лечения, с помощью которых они смогут помочь пациентам в ближайшее время?
Удивительно, но некоторые совершенно новые исследования, проведенные в Массачусетском технологическом институте, показывают, что это время ближе, чем мы думаем. Исследователи под началом экстраординарного ученого по имени Ли-Хьюи Цай в качестве отправной точки взяли тот факт, что у пациентов с болезнью Альцгеймера, помимо всего прочего, уменьшается образование гамма-волн. Это фоновые мозговые волны (говоря более научным языком, «нейронные колебания») определенной частоты, около 40 Гц. Гамма-волны интересны тем, что их производят группы нейронов, играющие, похоже, какую-то роль в когнитивной работе мозга, которая, как мы знаем, нарушается на ранних стадиях болезни Альцгеймера. Цай рассуждала следующим образом: что, если бы мы могли запустить гамма-волны в мозг пациента с болезнью Альцгеймера? Помогло бы это потом восстановить когнитивные функции? Она решила, что это можно сделать с помощью оптогенетики. И это была блестящая идея.
Ее команда взяла несколько генетически измененных мышей в качестве модели пациентов с болезнью Альцгеймера: у них были характерные амилоидные бляшки в мозге и проблемы с обучением и памятью. Их мозг заразили вирусом, несущим светочувствительный ионный канал, а затем просверлили крошечное отверстие в черепе, чтобы можно было вставить оптическое волокно. Это позволило активировать нейроны мигающим светом на определенной частоте – да, вы наверняка догадались, на 40 Гц. Ученые надеялись, что, искусственно повышая действие гамма-волн в мозге, они смогут в конечном итоге снизить симптомы болезни Альцгеймера у мышей. При этом то, что они обнаружили, было удивительно: после всего лишь часа воздействия светом количество амилоида в мозге сократилось вдвое.
Можно сказать, что искусственно вызванные гамма-волны убрали у мышей часть того, что мы считаем основной биологической причиной болезни Альцгеймера. Как же можно было узнать, работает ли этот метод на людях? Трудно было бы заставить человека согласиться на то, чтобы ему просверлили отверстие в черепе и посветили туда.
К счастью, природа уже предоставила возможность свету проникать в череп: через глазницы. Группа Цай продолжила демонстрировать действие света: если исследователи просто оставляли мышей в комнате со светом, мигающим на 40 Гц, то это точно так же эффективно работало и амилоидных образований становилось меньше. Что еще более поразительно, индуцируя гамма-волны при помощи вспышек света на определенный набор нейронов, получилось восстановить воспоминания, которые мышь, больная Альцгеймером, утратила. Таким образом, данный метод дает надежду на то, что можно не только остановить или уменьшить изменения, происходящие в мозге при болезни Альцгеймера, но и восстановить уже утраченные воспоминания. Ученые надеются в ближайшее время начать проводить испытания на людях. Мы будем с большим интересом наблюдать за этим!
Эволюция мозга
При таком количестве достижений науки и техники легко упустить из виду естественные изменения, которые происходят с нашим мозгом прямо сейчас. По мере того как мы исследовали работу мозга, мы часто вспоминали процесс эволюции, и нельзя забывать, что он еще идет.
То, как мы проводим время, а следовательно, как мы используем мозг, продолжает меняться. Более того, особенно быстро изменения происходили за прошедшее столетие в развитом мире. Для все большего количества людей наличие работы и хорошего дохода зависит не только от физических параметров, но и от нормальной работы когнитивных процессов. Сто лет назад большинство людей были заняты физическим трудом, и, скажем, со сломанной ногой выполнять какую-то работу было невозможно, зато ею могли с успехом заниматься люди с плохой памятью или не имеющие навыков планирования. Сейчас верно обратное, и большинство из нас проводит восемь, а то и больше часов, решая умственные задачи и тренируя мозг, и совсем мало времени – тренируя тело.
За последние десять лет или около того смартфоны и планшеты стали неотъемлемой частью жизни многих из нас. Благодаря этим устройствам многие функции мозга стали менее нужными, например необходимость запоминать номера телефонов или дорогу. При этом у нас появилась необходимость в других навыках, например в способности точно контролировать движения: посмотрите хотя бы на подростка, набирающего сообщения одной рукой, или на ребенка, играющего в игры на мобильном устройстве. Кроме того, получив доступ к компьютерам, смартфонам, планшетам, электронным книгам и плазменным телевизорам, человек в развитой стране стал в среднем больше времени проводить, уперев взгляд в ЖК-экран.
В СМИ нам постоянно говорят о том, что находиться подолгу у экрана вредно. Но так ли это на самом деле? Самый простой ответ: мы пока не знаем, как именно это влияет на наш мозг и, что особенно важно для родителей, на мозг развивающихся детей. Безусловно, есть причины ограничить количество времени, проводимого у экрана. В это время человек не активен физически, а мы знаем, что физическая активность важна для здорового развития (и это действительно так, причем для поддержания здоровья в любом возрасте). Однако в настоящее время есть доказательства, хоть их и немного, что время у экранов не влияет на количество игр на открытом воздухе, в которых принимают участие дети и подростки. С другой стороны, есть вероятность, что, если сидеть перед ярким мерцающим экраном поздно вечером, нарушаются циркадные ритмы и, следовательно, падает качество сна. В Швейцарии проводили очень интересное исследование, в котором подростки в течение недели во время работы за компьютером в вечернее время должны были использовать очки, стекла которых блокировали синий свет. Обнаружили, что ношение этих очков привело к уменьшению отрицательного эффекта от сидения перед экраном. Они повлияли и на концентрацию мелатонина (измеренную в слюне участников исследования) и на способность концентрироваться в вечернее время. Однако это, похоже, никак не сказалось на качестве сна или на работоспособности на следующее утро, поэтому есть мнение, что нет причины паниковать по поводу влияния сидения перед экраном в вечернее время на жизнь подростков.
А вот как отражается на мозге то, что дети делают, сидя перед экраном, – это нам не ясно совсем. Мы не знаем, идут им на пользу или нет часы, проведенные за компьютером, помогают ли игры развивать когнитивные навыки, такие как умственная ротация, получают ли застенчивые дети возможность социального общения или, наоборот, у них снижается внимание и они становятся менее способными взаимодействовать в реальном мире. Понятно, что для прессы естественно подпитывать страхи родителей, однако среди специалистов по возрастной психологии бытует мнение, что в настоящее время у нас просто недостаточно доказательств ни того ни другого.
На мозг влияют многочисленные аспекты современной жизни, а не только то, как и для чего мы его используем. В предыдущих главах мы отмечали, что здоровое питание, физическая нагрузка, а также употребление наркотиков, алкоголя и табака влияют на мозг так же, как и на другие части тела. Современное законодательство об охране природы и трудовое законодательство среди прочего защищают нас от воздействия токсичных веществ, которые раньше не считались вредными. (В конце концов, прошло всего лишь лет десять с тех пор, как работники пабов или баров перестали проводить большую часть своего рабочего времени в непроницаемой табачной дымке.) В последние несколько десятилетий значительно сократилось содержание свинца в бензине, ртути в красках и асбеста в изоляции помещений, стало намного меньше пестицидов в пищевой промышленности, и мы гораздо меньше подвержены действию этих веществ. Представители организаций, занимающихся общественным здравоохранением, говорят нам, как важно использовать солнцезащитный крем, не курить и не пить алкоголь во время беременности. В наши дни дети гораздо меньше подвергаются действию нейротоксинов и канцерогенов, вызывающих мутации, чем в любое время после промышленной революции.
Сейчас люди живут дольше, и поэтому нам нужен мозг, более устойчивый к разрушительным последствиям старения и связанных с ним болезней, например болезни Альцгеймера. Поскольку они проявляются уже после наступления репродуктивного возраста, то естественный отбор не будет условием развития мозга. Однако изучение заболеваний, например той же болезни Альцгеймера, дает нам понимание того, как современный образ жизни и среда влияют на устойчивость мозга и механизмов, с помощью которых эта устойчивость поддерживается. Например, недавнее исследование, в котором изучали более 6 млн канадцев в течение длительного периода их жизни, показало, что наличие вблизи жилья оживленной дороги повышает риск болезни Альцгеймера, предположительно в результате воздействия на мозг шума или загрязнения воздуха. Выявление самых опасных факторов риска может помочь нам лучше понять основные процессы, происходящие в головном мозге, – например, хотя мы давно знаем, что сон очень важен при болезни Альцгеймера, мы только недавно обнаружили один из вариантов того, как он работает. Оказывается, при одном из механизмов гомеостаза, поддерживающем мозг в здоровом состоянии, интерстициальное (межклеточное) пространство мозга во время сна расширяется на 60 %. При этом сильно повышается интенсивность обмена отработанными продуктами между интерстициальной жидкостью, которая окружает сами нейроны, и спинномозговой жидкостью, окружающей головной мозг и проходящей вниз через спинной мозг. Таким образом происходит транспортировка нейротоксинов, в том числе и старого недруга – белка амилоида – из головного мозга посредством спинномозговой жидкости, помогая сохранить нейроны погруженными в лечебную ванну питательных веществ, а не в токсичную среду.
Станет ли в будущем наш мозг лучше или хуже того, что есть сейчас?
Как вы уже наверняка поняли, мы не знаем еще очень и очень многого о работе мозга. Но тем не менее мы можем немного поразмышлять о том, как современные тенденции использования мозга, а также изменения окружающей среды могут отразиться на самом мозге.
Мозг – это орган, формирующийся в соответствии со средой, в которой он развивается. Когда мы задумываемся о сильных и слабых сторонах мозга будущего, мы больше говорим о том, насколько ранний приобретенный опыт определяет качества мозга каждого человека, а не о медленных эволюционных процессах. Некоторые изменения, о которых мы тут сказали, отразятся на размножении. В самом деле, поскольку из-за роста уровня образования и доходов у женщин теперь, как правило, меньше детей, чем они могут иметь, есть вероятность, что чем больше в когнитивном плане развивается мозг, тем меньше потомков наследуют его гены. С течением времени у мозга появится все больше сильных сторон, отобранных в ходе развития истории человека.
Итак, в чем же мозг людей будущего станет лучше? Ранее мы уже говорили, что поскольку мы сейчас реже используем большие группы мышц и чаще – мелкую моторику, есть вероятность, что произойдет своего рода перераспределение пространства, отведенного областям двигательной коры, контролирующим движения, а также усадка мозжечка. Если роботы и другие формы ИИ возьмут на себя большую часть низкоквалифицированной и низкооплачиваемой работы в гостиничной индустрии, розничной торговле, на фабриках и в сфере услуг, даст ли это большему количеству людей свободное время для творческих дел?
Если да, то это усилит связи в «режиме работы мозга по умолчанию», и ими станут сети взаимодействующих областей мозга, особенно активные во время выполнения мыслительных и творческих задач. И поскольку совершенствуются фармацевтические препараты, генетическая терапия и нейропротезирование, появится ли у здоровых людей возможность пользоваться преимуществом этих достижений, открывая новые сенсорные возможности, например способность видеть в ультрафиолетовом свете или ощущать магнитные поля? Ответы на эти вопросы в значительной степени зависят от того, что выберет общество: строение и функции нашего будущего мозга будут определяться как успехами в политике и праве, так и технологическими достижениями.
Есть только одна вещь, которая активно нарушает равновесие физической эволюции мозга. Мы начали говорить о пределах человеческого мозга, сказав, что размер головы при рождении определяет, насколько велик и насколько хорошо развит мозг ребенка. Достижения в области акушерской медицины, и в частности рост использования кесарева сечения для безопасных родов, означают, что главный фактор давления эволюционного отбора теперь не важен для большинства женщин в развитом мире. Учитывая, что примерно четверть детей в Великобритании и США появляются на свет при помощи кесарева сечения, по оценкам, это уже привело к тому, что число крупных младенцев увеличилось на 10–20 %, и они благополучно рождаются у женщин с узким тазом (хотя мозг крупных младенцев не обязательно работает лучше, чем у остальных).
Более того, есть функции мозга, которые совершенно точно будут хуже развиты у будущих поколений. Подобно тому как использование мобильных средств связи вытеснило необходимость запоминать номера телефонов и другие контакты людей, технологии продолжат замещать навыки, которые обычно развивались у людей на практике. Например, распространение самоуправляемых автомобилей приведет к тому, что пропадет необходимость учиться водить машину, своевременно давить на педали сцепления, скорости и тормоза. Кроме того, уменьшится время концентрации при перемещении по оживленным дорогам.
Придут ли в нашу жизнь какие-то новые задания, требующие тщательной подготовки, на смену экзамену по вождению как своего рода обряду перехода во взрослую жизнь? Или у нынешних младенцев, когда они повзрослеют, будет более ограниченная продолжительность концентрации внимания, потому что им никогда не придется делать что-то столь же напряженное, как ехать домой по оживленной автомагистрали?
А что наши эксперты думают о будущем мозга?
Когда мы брали у ученых интервью, которые вы читали в книге, мы задавали им один и тот же вопрос: как будет развиваться человеческий мозг? Безусловно, это была непростая задачка, но, несмотря на то что они пытались увильнуть от ответа, все высказали интересные идеи о том, что можно будет увидеть в будущем. Более того, несмотря на то что эти эксперты работают в разных областях науки и поэтому с разных сторон смотрят на мозг, все они независимо друг от друга согласились в одном: новые технологии сыграют главную роль в том, как мозг будет меняться со временем.
Грэм Мюррей. В самом ближайшем будущем мозг эволюционировать не будет. Чтобы произошли какие-то значительные изменения, времени потребуется много. Однако мы уже научились менять структуру и работу мозга.В 1940–1950-х годах операцию под названием «лоботомия» делали тысячам пациентов, чтобы помочь избавиться от психических расстройств. В ходе операции удалялась значительная часть фронтальной лобной доли мозга. После этого состояние пациента улучшалось, но проявлялись побочные эффекты, и часто катастрофические, поэтому, к счастью, этот метод перестали использовать. Сейчас в психиатрической практике для улучшения работы мозга применяют лекарственные средства. Однако не исключено, что в будущем с развитием науки мы больше узнаем о том, как устроен мозг, и сможем использовать новые способы терапии, чтобы помочь душевнобольным пациентам. В качестве примера могу сказать, что ГСМ уже используется довольно широко при болезни Паркинсона, а также уже были удачные попытки лечить людей с обсессивно-компульсивным синдромом. Вероятно, новый метод все чаще будет применяться как альтернатива медикаментозному подходу для пациентов с серьезными психиатрическими проблемами. Самое главное – нужно будет провести тщательные рандомизированные контролируемые испытания, чтобы доказать безопасность и эффективность такого метода лечения и не повторить ошибок врачей времен лоботомии.И это еще не все. Сейчас мы видим, что все чаще и чаще с помощью вмешательства можно улучшить отдельные способности мозга здоровых людей. Ужасно интересно, что же нам в этом плане готовит будущее.
Лорен Вайс. Я думаю, что будущее за технологиями, позволяющими менять геном. Они только-только начинают развиваться и могут сыграть огромную роль в предотвращении определенных заболеваний мозга, возможно, их будут применять вместе с программами для скрининга.
Саймон Кайл. За последние двадцать лет мы стали использовать гораздо больше технологий, которые, безусловно, оказали воздействие на когнитивные и социальные процессы. Я думаю, что технологии сыграют главную роль и повлияют в будущем на развитие мозга. В конце концов, я считаю, сильно изменятся наш подход к работе мозга и способы разработки персонализированных методов, позволив напрямую вмешиваться в мозговую деятельность и оптимизировать ее посредством технологической и генной инженерии. Первоочередной задачей будет улучшение когнитивных функций и эффективности работы мозга. Не стоит забывать, что качественный сон, судя по всему, чуть ли не лучше всего улучшает работу мозга и восстанавливает организм, причем он нам уже доступен!
Фергус Грейси. Думаю, все зависит от того, как будет вести себя общество. Например, поскольку технологии развиваются, начнет ли мозг в ближайшее время развиваться в ответ? Будет ли «рынок» влиять на развитие мозга, продолжая производить и убеждать нас покупать более совершенные продукты? Будем ли мы больше подвержены влиянию маркетинга или сможем противостоять этому? Что это значит для нашего познания и для того, как мы понимаем и измеряем интеллект? Например, будут ли когнитивные оценки, которые мы используем в настоящее время, действительны через двадцать лет?
Мэгги Александер. В любую эпоху, когда возникают новые возможности, появляются новые технологии и новые обстоятельства, мы теряем какие-то функции мозга и приобретаем другие. Например, мы утрачиваем навык читать карты и все больше учимся пользоваться навигатором. Для этого нужны другие способности, но они тоже очень важны. Скорость, с которой мир менялся в последние сто лет, растет не линейно, а скорее экспоненциально. Но, несмотря на то что мы не можем сказать, что будет дальше, мы все равно приспособимся, в этом у меня нет сомнений. И тем не менее все равно останется часть поколения, которой будет сложнее адаптироваться, найдутся люди, ощущающие себя за бортом. Вот-вот появятся машины, ездящие без водителей, например. Мне не нравится эта мысль, но другим такое нововведение даст больше свободы. Я пока думаю о тех, кому сложно перемещаться и нужна помощь с этим, например о людях с физическими недостатками и о слабовидящих. Однажды им можно будет помочь с помощью технологий. Это может привести к тому, что и мозг адаптируется нужным с практической точки зрения образом.
Какой мозг нужен человеку будущего?
При таком потенциале развития технологий, которые, возможно, смогут поддержать работу функций, связанных с нарушениями мозга, любой оптимист скажет, что в будущем мозг сможет работать даже с меньшей емкостью и большими повреждениями.
Пессимист ответит, что это полностью зависит от выбора общества: будем ли мы счастливы оказаться в многообразном мире, где люди с сильными возрастными изменениями мозга живут дольше, где проигравшим в генетическую лотерею обладателям низкого IQ отказывают в приеме на работу, потому что с рядом задач лучше справится робот, или где рост населения означает, что недавние достижения интеллектуальной работы начали снова ухудшаться из-за недостаточного количества пищи и загрязненной окружающей среды.
Оптимист, вероятно, возразит, что и эти проблемы можно будет решить с помощью технологий или все, что необходимо для работы минимально жизнеспособного мозга, значительно изменится с развитием человечества в будущем. Если мы будем исследовать космос, например, то потребность в социальной гармонии во время длительных космических путешествий и в небольших сообществах первопроходцев сделает социальное познание наиболее ценным навыком.
Вероятно, у нас уже есть функции мозга, от которых мы были бы рады избавиться, особенно те, где существует несоответствие между эволюционным прошлым нашего мозга и современным окружающим миром. Например, значительная часть из той четверти человечества, которая страдает ежегодно от тревожности и депрессии, была бы только за снижение функций лимбической системы, контролирующей эмоции и реакции вегетативной нервной системы на стресс, или гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, регулирующей стрессовые реакции. Такие системы помогли нам остаться в живых в процессе эволюции, но сейчас они совершенно бесполезны в большей части ситуаций, в которых мы обычно оказываемся, ведь в них нет угрозы для жизни. В мире, где двадцать четыре часа транслируют новости, стрессовая реакция нейронной сети на стрельбу, происходящую за много тысяч километров от вас, может поддержать ваш интерес, и вы продолжите изучать новостной сайт, но это не поможет вам ни выжить, ни лучше спать ночью.
Если мы чему-то и научились в нашем путешествии в прошлое, настоящее и будущее мозга, так это тому, что у организма человека была и остается способность функционировать при самых удивительных обстоятельствах. Над каждым из нас висит угроза болезни и травмы, переменчивого генетического или экологического состояния, которые и определяют предрасположенность мозга к тем или иным тенденциям. Эти тенденции проявляются на протяжении всей нашей жизни, они сложны и запутанны, и, чтобы их понять и распутать, потребуется куда больше времени, чем наша жизнь. Мы надеемся, что вам понравилось это путешествие и вы научились ценить тот мозг, что у вас есть сейчас, каким бы он ни был!
