Проект «Шалтай-Болтай»

Когда я был аспирантом в Принстонском университете, мой подход к пониманию мозга состоял в написании уравнений для сетей нелинейно взаимодействующих нейронов и их анализе. Таким же путем физики на протяжении столетий объясняли природу гравитации, света, электричества, магнетизма и ядерных сил. Каждый день, перед тем как лечь спать, я молился богу физики: «Дорогой Бог, пусть уравнения будут линейными, шум – гауссовым, а переменные – разделяющимися». Это условия, которые приводят к аналитическим решениям; но сетевые уравнения были нелинейные, шум – негауссовым, а переменные – неразделяющимися, поэтому не позволяли сделать однозначные выводы. Более того, моделирование на компьютере уравнений для больших сетей в то время было невероятно медленным. Еще более обескураженный, я понятия не имел, были ли у меня правильные уравнения.

Обучаясь в Принстонском университете, я обнаружил, что нейробиологи достигли невероятного прогресса. Нейробиология – сравнительно молодая наука, она была основана 45 лет назад. До этого исследования в области мозга проводились другими науками: биологией, психологией, анатомией, физиологией, фармакологией, неврологией, психиатрией, биоинженерией и многими другими. Во время первой встречи Общества нейробиологии в 1971 году Вернон Маунткасл лично приветствовал каждого у дверей. Сегодня в обществе уже 40 000 членов, из которых 30 000 ежегодно приходят на встречу. Маунткасл был сотрудником Университета Джонса Хопкинса – там мы и встретились, когда я пришел туда на свою первую работу на факультет биофизики в 1982 году. Он был легендарным нейрофизиологом, открывшим кортикальный столбец. Я тесно сотрудничал с ним при создании Института разума и мозга, первого в своем роде.

Есть множество разных уровней исследования мозга (рис. 4.4), и важные открытия были сделаны на каждом из них. Интеграция полученных знаний – сложнейшая задача. Она напоминает детский стишок про Шалтая-Болтая:

 

Шалтай-Болтай

Сидел на стене.

Шалтай-Болтай

Свалился во сне.

Вся королевская конница,

Вся королевская рать

Не может Шалтая,

Не может Болтая,

Шалтая-Болтая,

Болтая-Шалтая,

Шалтая-Болтая собрать!

 

Нейробиологи очень хорошо разбирают мозг по кусочкам, но собрать эти кусочки воедино – серьезная проблема, которая требует не упрощения, а синтеза, чего я и хочу добиться. Но в первую очередь нужно знать, что это за части, ведь в мозге их множество.

На семинаре для выпускников, который проводил Чарльз Гросс, психолог, изучавший в Принстонском университете зрительную систему обезьян, я был впечатлен прогрессом, достигнутым благодаря записи отдельных нейронов в зрительной коре Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем из Гарвардской медицинской школы, которые позже, в 1981 году, получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за новаторские исследования первичной зрительной коры. Их открытия, о которых пойдет речь в главе 5, лежат в основе глубокого обучения, что описано в главе 9. Если физика не сумела проложить дорогу к пониманию работы мозга, то, возможно, сумеет нейробиология.

Рис. 4.4. Уровни исследования в головном мозге. Слева: пространственная шкала колеблется от молекулярного уровня (снизу) до всей центральной нервной системы (вверху). Многое известно о каждом из уровней, но наименее изученным является сетевой уровень – небольшие группы взаимосвязанных нейронов. Это уровень, моделируемый искусственными нейронными сетями. Справа: изображения синапса (внизу), простой ячейки зрительной коры (посередине) и иерархии корковых областей в зрительной коре (вверху)

Чему я научился в Вудс-Хоуле

После защиты диссертации по физике в Принстонском университете в 1978 году я принял участие в десятидневном летнем курсе по экспериментальной нейробиологии в Вудсхоулской лаборатории биологии моря. В первый день я пришел в повседневной синей спортивной куртке и аккуратно отглаженных штанах цвета хаки. Стори Лэндис, один из преподавателей курса, отвела меня в сторону и купила мне мою первую пару джинсов. В то время Стори работала на факультете нейробиологии в Гарвардском университете, а вскоре стала руководителем Национального института неврологических заболеваний и инсультов в Национальном институте здоровья. Она до сих пор припоминает мне тот случай.

После летнего курса я остался на несколько недель сентября, чтобы завершить начатый проект. Он позволил получить потрясающие электронно-микроскопические изображения электрорецепции скатов. Скаты и акулы способны воспринимать очень слабые электрические поля; их рецепторы настолько чувствительные, что они могут обнаружить сигнал от 1,5-вольтовой батарейки у другого берега Атлантического океана. Скаты могут применять это шестое чувство для навигации, используя слабые электрические сигналы от своего движения через магнитное поле Земли, которое генерирует микровольтовые сигналы в их электрорецепторах.

Однажды, когда я фотографировал в подвале студенческого общежития Loeb Hall, мне неожиданно позвонил Штефан Куффлер, основатель факультета нейробиологии в Гарвардской медицинской школе. Куффлер – легендарная персона в нейробиологии. Он предложил мне работать в его лаборатории, что изменило мою жизнь. Я переехал в Бостон сразу, как окончил аспирантский проект у Алана Гельперина по фиксированию метаболической активности в педальном ганглии Limax maximus, большого придорожного слизня. Я никогда больше не смогу съесть улитку, не думая о ее мозге. Алан отошел от нейроэтологии, цель которой – изучение нейронных основ поведения. Я узнал, что так называемая более простая нервная система беспозвоночных на самом деле более сложная, так как они выживают с гораздо меньшим количеством нейронов, каждый из которых узкоспециализированный.

В лаборатории Куффлера я изучал передачу сигнала в синапсе симпатического ганглия лягушки-быка – в 60 тысяч раз более медленную, чем быстрая миллисекундная синаптическая передача в коре ее мозга (рис. 4.5). Это нейроны, которые формируют выход вегетативной нервной системы, регулирующей работу желез и внутренних органов. После стимуляции нерва, ведущего к синапсу, вы успеете сходить за кофе и вернуться до того, как синаптический вход в нейрон достигнет пика, что произойдет примерно за минуту, а затем ему потребуется десять минут, чтобы восстановиться. Синапсы – фундаментальный вычислительный элемент в мозге, и разнообразие типов синапсов говорит о многом. Этот опыт показал мне, что упрощение, возможно, не лучший путь к пониманию работы мозга.

Выяснить, как работает мозг, было не единственной задачей, а целым набором задач, давно решенных эволюцией и передающихся от вида к виду вверх по эволюционной лестнице. В нашем мозгу есть ионные каналы, которые впервые появились в бактериях миллиарды лет назад.

Рис. 4.5. Клетка симпатического ганглия лягушки-быка. Эти нейроны получают входные сигналы от спинного мозга и раздражают железы в коже лягушек. Они большие, их электрические сигналы легко регистрировать с помощью микроэлектрода (внизу), у них нет дендритов, и их можно электрически стимулировать нервом (вверху) или химическими веществами (верхняя пара микропипеток). Стимулирование нерва вызывает три различных синаптических сигнала со скоростью нервной реакции в несколько миллисекунд, как и в нервно-мышечном соединении, однако она проходит медленнее, достигает максимума через десять секунд и длится минуту. Самый поздний ответ на возбуждение выходит на пик через минуту и длится десять минут. Это иллюстрирует широкий диапазон временных масштабов, которые присутствуют даже в простейших нейронах