Они учились на одном курсе. Долгое время Ира не обращала на него никакого внимания. До того самого семинара. Олег вызвался прочитать доклад про теорию происхождения речи у первобытных людей. Сама тема уже навевала скуку. Пробудил ее от грез громкий смех соучеников. Прислушавшись, она внезапно увлеклась - Олег говорил складно, интересно, много шутил и держался перед целой сотней однокурсников очень уверенно. Взгляд Иры невольно оценивающе скользнул по его фигуре - широкие плечи, развитая мускулатура. Он повернулся, чтобы что-то нарисовать на доске, и в этот момент Ира стыдливо поймала себя на том, что смотрит на его ягодицы...

К щекам прилила кровь, а руки внезапно вспотели. Ира вспомнила, что совсем недавно читала свежее исследование , где говорилось, что женщин в мужчинах привлекает прежде всего атлетическое телосложение, очевидные признаки физической силы. "Хм, но это не про меня. Мне главное, чтобы был умным, веселым, добрым, нежным и заботливым". И тут Олег повернулся - и посмотрел именно на нее, прямо в глаза, долго, взяв солидную паузу. Вокруг его глаз собрались озорные морщинки, а лицо как будто осветилось теплым светом.

Единственный из всех

"Почему Олег не выходит у меня из головы? - именно этот вопрос мучил Иру уже неделю. - Чем бы я ни занималась, мысли постоянно возвращаются к нему снова и снова. Более того, мне кажется, что он самый лучший среди всех парней! Единственный и неповторимый!"

"Да все просто, - пришла на выручку лучшая подруга Иры отличница Люба. - Сейчас я тебе все объясню.

Ученые полагают, что в основе любви лежат три фактора: отбор предпочитаемого партнера, установление с ним близости и сексуальное влечение. Сейчас у тебя доминирует первый фактор. Наш мозг в ходе эволюции обрел способность выделять одного потенциального партнера из многих. Почему так произошло? Существует множество гипотез, которые это объясняют, - например, про "эффект бабушек".

В какой-то момент (в позднем палеолите или раннем неолите) продолжительность жизни женщин увеличилась, пожилые дамы стали помогать заботиться о потомстве своим дочерям, что позволило последним иметь больше детей. Это в свою очередь закрепило "долгожительство" в человеческой популяции и привело также к росту продолжительности жизни мужчин. Но тут возникла опасная ситуация - старики уже были неспособны эффективно охотиться, а потому не покидали поселений, зато еще вполне могли иметь детей. В итоге из-за "эффекта бабушек" количество фертильных женщин по отношению к числу способных к продолжению рода мужчин уменьшилось (моделирование показывает , что пропорция могла достигать 156 мужчин к 100 женщинам в детородном возрасте). Все это привело к резкому обострению конкуренции за женщин, усугубленной долговременным отсутствием молодых мужчин в селениях.

Закономерным ответом стало чувство ревности - молодые мужья предпочитали вместо охоты сторожить своих жен от посягательств престарелых "ловеласов". Такие общины быстро оставались без ресурсов, хирели и погибали. Выживали только те сообщества, где между мужчинами и женщинами устанавливались крепкие романтические отношения - любовь, взаимное доверие и верность, исключающие измены. Но эти чувства невозможны, если партнер не будет казаться особенным и единственно возможным из всех. Так и у тебя!

А отвечает за такую реакцию нейромедиатор дофамин. Это особое вещество, выделяемое нейронами мозга, главным образом в нашей внутренней "системе вознаграждения" (вентральной области покрышки), где оно вызывает чувство удовольствия и удовлетворения. Но в данном случае важно другое: дофамин также влияет на процессы внимания, заставляя его концентрироваться на одном человеке. Так происходит потому, что данный медиатор воздействует на поясную извилину, главным образом ее заднюю часть. Эта область мозга, в частности, отвечает за способность переводить внимание с одного объекта на другой, видеть выбор, переключаться между разными мыслями. Как показали знаменитые исследования Хелены Фишер и Артура Арона, чем меньше по времени длятся романтические отношения, тем сильнее активность в задней части поясной извилины. Однако постепенно - месяц за месяцем - активность в этой области снижается".

Бабочки в животе

"Эх, тебе бы под все научную базу подвести! Неужели все дело в простой химии? - Ира была возмущена холодным прагматизмом подруги. - Я вот как никогда раньше себя прекрасно чувствую: такой восторг, столько энергии, хотя, с другой стороны, совсем перестала спать по ночам и есть не особо хочется. Да и когда? Я весь день предаюсь мечтам об Олеге, вспоминаю всякие милые мелочи и наши встречи - как мы лазали по питерским крышам ночью или сидели в том уютном кафе возле факультета. Господи, как же хорошо-то было!"

"Всё так, - продолжала Люба. - И здесь тоже "виноват" дофамин. Помимо воздействия на центральные отделы мозга этот нейромедиатор усиливает выработку тестостерона, связанного с усилением сексуального желания. Он также обостряет наши чувства - небо кажется более голубым, а прикосновения - волнующими. Но самое главное - дофамин вызывает общее эмоциональное возбуждение и эйфорию, потому у тебя такие переживания душевного подъема. А помогают ему в этом еще гормон и нейромедиатор норадреналин и другое вещество - фенилэтиламин. Оба этих вещества являются естественными стимуляторами. Другой их важный аспект - они заставляют иначе работать твою память и восприятие. Ты подмечаешь и запоминаешь малейшие детали об объекте своей любви.

Параллельно твой мозг еще и значительно снижает выработку другого нейромедиатора - серотонина. По данным исследований целого ряда нейрофизиологов, его количество за полгода романа падает до такого же уровня, как у больных обсессивно-компульсивным расстройством - синдромом навязчивых состояний. Поэтому ты не можешь больше ни о ком и ни о чем думать, пока Олег твой не будет рядом, а даже если вы и вместе, то насытиться обществом друг друга все равно не получается. Секс дает разрядку лишь на время. А потом все повторяется вновь и вновь.

Кстати, серотонин играет важную роль в структурах мозга, ответственных за оценку и сравнение, поэтому с уменьшением его выработки притупляется и способность объективно судить о человеке. Ты видишь только лучшие стороны возлюбленного, в упор не замечая плохие".

Он больше не звонит

Любу разбудил звонок в три часа ночи. Всхлипывая и запинаясь, Ира рассказала, что Олег уехал на полевую практику и вот уже три дня ей не звонит.

"Успокойся, может там сотовых вышек нет, - рассудительно заключила Люба. - А вообще… Все это обратная сторона мощного выброса дофамина, норадреналина и фенилэтиламина. Ты настолько зациклена на своем любимом, что малейший разлад или невнимание кажутся тебе катастрофой. Эйфория тут же сменяется негативными эмоциями: тревогой, паникой, чувством отчаяния, заброшенности и бесконечного одиночества. А все потому, что ты постоянно балансируешь на краю - и внутреннее возбуждение интерпретируешь положительно только тогда, когда твоя "любовь" рядом, в противном случае те же переживания мгновенно становятся отрицательными. И да, при этом понижается выработка фенилэтиламина, а мозг, снятый со стимуляторов, тут же впадает в депрессивное состояние. Все это называется эмоциональной нестабильностью...

В общем, я понимаю твои чувства, но будь уверена: скорее всего, он просто не может дозвониться".

Расставания - маленькая смерть

"Знаешь, чем больше вот таких ситуаций - когда он пропадает, не звонит или что-то нам мешает, тем все сильнее я влюбляюсь в Олега, - рассказывала очередным вечером Ира. - Вот скажи, Люба, а что твоя наука по этому поводу говорит?"

"Ну, тут все просто... Дело в том, что, как я уже говорила, главную роль в формировании чувства любви играет "система вознаграждения" в нашем мозге. А работает она очень хитро . Как только мы не можем получить желаемого, достижение цели откладывается, продуцирующие дофамин нейроны становятся все более активными, мотивируя нас все больше и больше. Соответственно, после невзгод и преодоленных препятствий усиливается и удовольствие.

Параллельно в другой области мозга, в лобных долях, происходит подсчет рисков - что мы приобретем, а что потеряем в той или иной ситуации. И субъективный проигрыш от потери возлюбленного всегда кажется чересчур высоким, что вновь приводит в действие "систему вознаграждения", заставляя упорно добиваться любви и идти на любой риск. Так что любые трудности в романтических отношениях лишь усиливают чувства!"

Раствориться друг в друге

"Ох, Люба, у нас сейчас так все хорошо! Страсти бурлят так, что ночью и поспать, бывает, не удается. А потом мы вместе лежим и мечтаем, как поедем в совместное путешествие, снимем нам на двоих квартиру, заведем собаку, а потом, может быть, и малыша. И я всегда так переживаю за Олега, все его неудачи и боль чувствую как свои. Хочется все бросить и помочь ему".

"Ну что же, дорогая, вы перешли на стадию близости и максимального сексуального влечения!

Здесь уже центральную роль играют гормоны: как всем известные условно женский гормон эстроген и условно мужской тестостерон, обеспечивающие силу плотского желания, так и два более хитрых - окситоцин и вазопрессин. Оба этих гормона отвечают помимо своих прямых физиологических функций и за формирование чувства привязанности и взаимосвязи. А вырабатываются они главным образом при физической близости, начиная от объятий, поцелуев, заканчивая максимальным выбросом при оргазмической разрядке.

Чем больше пара занимается любовью, тем больше у них вырабатывается гормонов привязанности и сильнее взаимная любовь. Кстати, тут вот два петербургских исследователя и параллельно практика йоги - физиолог Ринад Минвалеев и математик Анатолий Иванов - поставили эксперимент, в котором установили, что у женщин есть два типа профиля тонуса вегетативной нервной системы и кровообращения во время секса. При этом один из них приводит к истощению сил женщины (условно - симпатический профиль), а второй, парасимпатический, наоборот, дает энергию и жизненные силы. При этом если женщина достигает такой реакции в процессе полового акта, то и мужчина вслед за ней также "перестраивает" свой профиль реакции на парасимпатический. И после соития оба партнера не только чувствуют нежность друг к другу, но и полны сил и энергии. А зависит достижение этого профиля от продолжительности полового акта - чем дольше, тем лучше. Проблема с этой работой только в том - впрочем, серьезная проблема, - что она не была опубликована в рецензируемом научном журнале и не была повторена какой-либо другой группой ученых".

Любовь - навсегда?

"Эх, а мне бы так хотелось, чтобы любили друг друга до конца жизни", - мечтательно проговорила Ира.

"Ну, это почти возможно!

Смотри, американские ученые показали, что чем дольше был процесс ухаживаний, тем сильнее будет привязанность друг к другу в отношениях, а значит, и продлятся они дольше. Однако такая страстная любовь не может длиться больше двух-трех лет по одной простой причине - организм не может поддерживать столь высокий уровень выработки дофамина, норадреналина и фенилэтиламина на протяжении длительного времени. Вы волей-неволей взгляните друг на друга трезвыми глазами, поймете взаимные недостатки. И вот тут на первый план выйдет не страсть, а привязанность.

Здесь также важны будут гормоны окситоцин и вазопрессин, но одновременно и совсем нематериальные вещи. Так, психологи показали, что чем больше мы идеализируем того, кого любим, тем прочнее связи на этапе, когда привязанности важнее страсти. В этом случае мы легче прощаем обнаруженные недостатки, так как образ в нашей голове сильнее.

Более того, та же Хелена Фишер и Артур Арон обнаружили пары, прожившие вместе в среднем около 21 года и утверждавшие, что все еще сохраняют романтичный настрой. Исследование их мозга показало, что, как и у влюбленных юных пар, у них сохраняется высокая активность в "системе вознаграждения" при мыслях о супруге и даже активизируется задняя часть поясной извилины! Иными словами, они сохранили, как это не удивительно, новизну и концентрацию внимания на партнере сквозь десятилетия".

Даниил Кузнецов

Для того чтобы достичь полного понимания биологических основ сознания, понадобится, возможно, еще несколько столетий. Но если всего лишь пару десятков лет назад к решению этой задачи приступать даже не решались, сегодня появились научные методы исследований в данной области.

Если отвечать вкратце, то ответ будет таков: наука пока не имеет удовлетворительного объяснения этого процесса. Удовлетворительного в том смысле, который имел в виду Ричард Фейнман, когда говорил: «То, что я не могу построить, я не могу понять». Мы не можем пока создать устройство, которое мыслит, и это в значительной степени связано не с техническими сложностями, а с тем, что мы не способны пока понять, как устроен мозг.

Что известно сейчас? Мы не можем сказать, как рождается мысль, но мы уже очень много знаем о том, что происходит в мозге при ее рождении, какие уникальные условия работы мозга создаются, когда возникает мысль. Исследуется это в специальных экспериментах, когда сравнивают предъявление мозгу каких-то осознаваемых ситуаций (рождающих мысль) и тех же ситуаций, которые он осознать не может. Например, если событие слишком коротко: зрительные и слуховые компоненты происходящего поступают в мозг, но до уровня сознания не доходят. Когда ученые сравнивают, что происходит в мозге при сознательной и неосознаваемой переработке информации, оказывается, что осознание связано с несколькими вещами.
Что происходит при осознании:

📎 во-первых, когда мы осознаем что-то, в коре головного мозга работает значительно больше нейронов в тех зонах, которые уже участвовали в обработке неосознанной информации.

📎 во-вторых, в момент осознания активируются те зоны, которые раньше не участвовали в неосознаваемой обработке сенсорных данных. Это зоны, связанные с передними областями мозга.

📎 в-третьих, между зонами, которые активируются в момент появления сознания (мысли), и зонами, которые связаны с нашим восприятием окружающего мира, начинают устанавливаться быстрые циклические взаимодействия - реверберации.

📎 в-четвертых, только после того как начинается циркуляция возбуждений по этой сети, появляется момент осознания. Мы не всегда понимаем это, но наше сознание очень сильно отстает от момента реакции мозга на какие-то события. Если точно известно, в какую миллисекунду предъявлена на экране фотография или слово, можно убедиться, что осознание появляется примерно через полсекунды (200–400 миллисекунд) после показа. А реакция областей мозга, которые воспринимают информацию неосознанно (ранняя реакция), возникает заметно раньше, то есть через 60–100 миллисекунд. Все эти четыре компонента складываются в общую картину. Когда у нас появляется вспышка сознания, это происходит из-за того, что разные области мозга - и те, которые связаны с умственным напряжением, вниманием (передние), и те, которые связаны с восприятием внешнего мира - синхронизуются вместе в специальных циклах циркуляции информации. Синхронизация устанавливается на поздних фазах действия внешнего сигнала (через полсекунды), и в этот момент появляется сознание.

Тайны нервного кода
Мы также знаем, что воздействие на разные этапы этих четырех компонентов (иногда они наблюдаются в медицине, при травмах, кроме того, их можно вызывать искусственно при магнитной симуляции) способно разрушить сознание, и человек окажется в области подсознательного либо попросту в коме.

Мозг часто сравнивают с компьютером, но это очень грубая и неточная аналогия. Нервный код устроен совсем по-другому, нежели коды Тьюринговской машины. Мозг не работает на бинарной логике, он не работает как тактовый процессор, он функционирует как массивная параллельная сеть, где основным элементом кода является момент синхронизации разных клеток с их опытом, в результате чего и возникает то субъективное ощущение, мысль или действие, которые занимают в этот миг театр сознания, поле нашего внимания. Это код синхронизации многих элементов, а не ход пошаговых вычислений.

Нейроны и образы
В момент образования связей между клетками не передается что-то похожее на психическую информацию. Между ними передаются химические вещества, которые позволяют нейронам объединиться в ту или иную систему. Каждая из этих систем уникальна, потому что клетки специализированы. Например, это клетки, воспринимающие образ синего неба, белой оконной рамы, лица и т. д. Все вместе они дают на какое-то короткое время тот осознаваемый образ, который и занимает наше внимание. Такие «кадры» могут очень быстро меняться, и следующие несколько десятков миллисекунд в мозгу появится другая конфигурация клеток, которая связана с другим набором нейронов. И это постоянный поток, лишь небольшая часть которого осознается посредством возникающих синхронизаций. Есть масса вещей, которые работают при этом параллельно центральному звену. Они не осознаются и построены на автоматизированных процессах. Я сижу, балансирую, поддерживаю температуру тела, давление, дыхание. Это всё управляется массой функциональных систем, которые не должны идти в широковещание на весь мозг.

Мозг под управлением ОС
Однако при всей несхожести нервного и бинарного кодов некие параллели между мозгом и компьютером все же можно провести.

Мозг обладает подобием операционной системы, и на этот счет существует несколько гипотез. В одной из них - теории функциональных систем - существует понятие операционной архитектоники системы. Это некий синтез сенсорных и мотивационных сигналов, извлечений из памяти, который вовлекает все эти компоненты в единое рабочее пространство - то, где ставится цель и принимается решение. Есть также теория сознания как глобального рабочего пространства. Согласно ей существует определенная операциональная архитектура, которая как операционная система способна вовлекать разные клетки в процессы осознания. Она вовлекает нейроны передних областей коры, которые имеют длинные проекции во все остальные области коры, и когда происходит «зажигание» этих нейронов, они начинают «крутить» информацию по всем остальным областям. Это некий центральный процессор, и он включается, только когда есть сознание. Во всем остальном мозг может работать автоматически. Вы можете вести машину, а ваше сознание будет занято некими внутренними вопросами, и «процессор» будет работать для них. И лишь в тот момент, когда происходит что-то неожиданное (кто-то перебегает дорогу, например), операционная система начинает работать на режим внешнего мира.

Константин Владимирович Анохин, российский ученый, нейробиолог, профессор, член-корреспондент РАН и РАМН. Лауреат премий Ленинского комсомола, имени Де Вида Нидерландской академии наук, Президиума Российской академии медицинских наук и Национальной премии «Человек года» в номинации «Потенциал и перспектива в науке»

Несмотря на то что исследователи изучают мозг уже более ста лет, они до сих нор не понимают, как этот полуторакилограммовый орган обеспечивает всю сознательную активность человека. Многие пытались решать эту проблему, изучая нервную систему простых организмов. Прошло уже 30 лет с тех пор. как были описаны вес соединения всех 302 нейронов у нематоды Caenorhabditls elegans. Тем не менее сама по себе та схема пока еще не позволила понять, как данные нейроны обеспечивают даже такое элементарное поведение, как питание и размножение. Чтобы выяснить, как активность нервных клеток формирует определенный тип поведения, не хватало данных.

У человека проблема выявления связи между нейроном и поведением стоит значительно более остро. Средства массовой информации регулярно сообщают о томографических исследованиях, показывающих, что. когда мы чувствeем себя отвергнутыми или говорим на иностранном языке, у нас активируются определенные области мозга. Эти новости создают впечатление, что современные научные технологии обеспечивают глубокое фундаментальное понимание принципов работы нервной системы. Однако это впечатление ошибочно.

Примечательный пример такого несоответствия - получившее широкое освещение в прессе исследование отдельных нейронов, которые возбуждались в ответ на предъявление изображения актрисы Дженнифер Энистон. На самом деле, несмотря на возникший ажиотаж, открытие нейронов Дженнифер Энистон было чем-то вроде сообщения от инопланетян: знак наличия разумной жизни по Вселенной, по без всякого намека на смысл этого послания. Мы до сих пор не понимаем, как активность данного нейрона влияет на способность не только узнавать лицо Энистон, но и соотносить его с фрагментом из сериала «Друзья». По-видимому, для того, чтобы мозг смог распознать лицо телезвезды, требуется работа большого нейронного ансамбля, все члены которого общаются с помощью какого-то нейронного кода, который нам еще только предстоит расшифровать.

Кроме того, открытие нейрона Дженнифер Энистон иллюстрирует уровень, которого достигла современная нейробиология. У нас уже есть методы для регистрации отдельных нейронов в мозге живого человека. Но для дальнейшего продвижения необходимы новые технологии, позволяющие исследователям наблюдать и управлять электрической активностью тысяч или даже миллионов нейронов и способные расшифровать те «непроходимые джунгли», в которых, по словам одного из основоположников современной нейробиологии испанского гистолога Сантьяго Рамона-и-Кахаля (Santiago Ramon у Cajal), -заблудились многие ученые.

Теоретически такой методический прорыв поможет преодолеть пропасть между электрической активностью нейрона и пониманием механизмов когнитивных функций мозга, таких как восприятие, эмоции, принятие решений, и в конечном счете сознание. Расшифровка активности мозга, обеспечивающей мышление и поведение, приведет и к пониманию того, что происходит, когда нейронные цепи начинают работать неправильно при психиатрических и неврологических нарушениях, например при шизофрении, аутизме, болезнях Альцгеймера и Паркинсона.

Наконец требования технологического скачка в изучении мозга были услышаны за пределами лабораторий. В прошлом году администрация президента США Барака Обамы объявила о создании крупномасштабного проекта по изучению мозга BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative. Это стало наиболее заметной научной инициативой президента за второй срок.

Этот проект, начальное финансирование которого в 2014 г. составило более S100 млн. направлен в первую очередь на разработку технологий, позволяющих регистрировать сигналы сразу от очень большого числа нейронов и даже от целых областей мозга. Американский проект BRAIN дополняет другие научные проекты за пределами США. Так, Европейский союз выделил $1.6 млрд на разработку компьютерной модели мозга человека (The Human Brain Project). Масштабные проекты в области нейронаук начаты в Китае. Израиле и Японии. Вложение средств в развитие наук о мозге по всему миру напоминает о других послевоенных научных и технических проектах, ориентированных на актуальные национальные приоритеты, такие как атомная энергетика, ядерное оружие, исследования космоса, создание компьютеров, альтернативные источники энергии и расшифровка генома. Наступила эра исследования мозга.

Проблема визуализации

Выясняя, как нейроны формируют представление о Дженнифер Энистон или о чем-то похожем в нашем субъективном опыте или в восприятии окружающего мира, мы сталкиваемся с непреодолимым препятствием. Оно заключается в переходе от измерения показателей одного нейрона к пониманию того, как группы нервных клеток могут участвовать в сложных взаимодействиях, из которых образуется большее единое целое. Такое свойство ученые называют эмерджентностью. Например, температура, прочность материала, намагниченность металла - все это возникает только вследствие взаимодействия множества атомов и молекул. Папример, для одних и тех же атомов углерода характерны и твердость алмаза, и мягкость графита, который так легко оставляет свои слои на бумаге. Твердость или мягкость - эмерджентное свойство, зависящее не от отдельных атомов, а от типа взаимодействий между ними.

По-видимому, мозг тоже проявляет эмерджентные свойства, которые остаются абсолютно непонятными ни входе наблюдения за отдельным нейроном, ни при оценке (с низкой разрешающей способностью) активности большой группы нейронов. Выявить в мозге восприятие цветка или детские воспоминания можно, только наблюдая за активностью нейронных сетей, которые проводят электрические сигналы по запутанным цепочкам из сотен и тысяч нервных клеток. Хотя эта проблема уже давно знакома нейрофизиологам, до сих пор нет возможности регистрировать активность отдельных нейронных цепочек, которые определяют восприятие, память, сложное поведение и другие когнитивные функции.

Одной из смелых попыток преодолеть это ограничение стала коннектомика- построение карты всех связей (синапсов) между нейронами. Недавно в США стартовал проект по построению схемы связей мозга человека (Human Connectome Project). Однако, как и при изучении нервной системы нематоды, такая схема- всего лишь начальный пункт. Она не отражает постоянно меняющиеся электрические сигналы, определяющие конкретные когнитивные процессы.

Для осуществления такой регистрации нам необходимы новые способы измерения электрической активности мозга. Те методы, которые используются сейчас, либо позволяют получить точную картину работы отдельных нейронов на очень небольшом участке мозга, либо охватить большой объем, но с разрешением, недостаточным дли наблюдения за включением или выключением отдельных нейронных цепочек. Сейчас для точной регистрации нейронной активности в мозг лабораторных животных вживляют игольчатые электроды, регистрирующие электрические импульсы от нервной клетки, которые она генерирует, получая химический сигнал от соседней клетки. Когда на нейрон приходит сигнал, потенциал на его мембране меняется. Изменение напряжения вызывает открытие ионных каналов в мембране клетки, через которые в нейрон поступают положительно заряженные ионы, например ионы натрия. Приток ионов приводит к генерации электрического импульса- потенциала действия, или спайка, который распространяется дальше по аксону (длинный отросток нейрона), запуская на его конце передачу химического сигнала следующей клетке, и тем самым осуществляет передачу сигнала по нервной цепочке. Регистрация одного нейрона похожа на попытку посмотреть фильм, наблюдая только за одним пикселем экрана. Кроме того, поскольку это инвазивный метод, введение электрода может повредить нервную ткань.

С другой стороны, методы, позволяющие оценивать общую активность нейронов в целом мозге, тоже не подходят. Самый известный из них-электроэнцефалография (ЭЭГ)- метод, предложенный Гансом Бергером (Hans Berger) в 1920 г. На голове размещают электроды, каждый из которых регистрирует суммарную активность 100 тыс. нейронов, расположенных под ним. Запись ЭЭГ представляет собой колебание «воли» электрической активности, меняющих свою амплитуду за несколько миллисекунд, определить при этом, какой именно нейрон активен, невозможно. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) можно определить, какие области работают интенсивнее, - они будут более яркими на изображении мозга (томограмме). Этот метод неинвазивный. т.е. не требует хирургических вмешательств, но имеет очень низкое временное и пространственное разрешение. На каждый элемент томограммы (воксель- трехмерный пиксель) приходится примерно 80 тыс. нейронов. Кроме этого. фМРТне регистрирует активность нейронов напрямую, а только по вторичным признакам - изменению кровотока в том или ином вокселе.

Чтобы получить представление об эмерджентной активности мозга, ученым требуются новые чувствительные датчики, которые позволяли бы одновременно регистрировать тысячи отдельных нейронов. Появлению таких приборов могут помочь нанотехнологии, создающие новые материалы, зачастую меньшего размера, чем некоторые молекулы. Уже создан прототип матрицы, содержащей более 100 тыс. электродов, расположенных на кремниевой подложке. Такое устройство может регистрировать тысячи нейронов па сетчатке. Дальнейшее развитие этой гехнологии предполагает сворачивание плоской матрицы в трехмерную структуру, укорочение электродов для уменьшения повреждений тканей мозга и удлинение соединительных элементов, позволяющих проникать в нижние слои коры головного мозга. У больных людей, например, такой прибор мог бы зарегистрировать активность десятков тысяч нейронов и вычленить в ней активность каждой клетки.

Использование электродов- лишь один из способов зарегистрировать активность нейронов. В лаборатории уже приходят технологии, оставившие далеко позади электрические датчики. Технологии, заимствованные из физики, химии и генетики, позволяют наблюдать за нейронами у бодрствующего животного в процессе его повседневной жизни.

Миша Арене из Медицинского института Говарда Хьюза в прошлом году приоткрыл завесу над технологиями будущего, сделав визуализацию под микроскопом целого мозга личинки рыбки данио. Данио- излюбленный объект нейробиологов. потому что в своей личиночной стадии эта рыбка совершенно прозрачна, что позволяет наблюдать ее внутренние органы, в том числе и мозг. В этом эксперименте нейроны личинки были генетически модифицированы так. что они флюоресцировали, когда в клетку входили ионы кальция при генерации нервного импульса. Иод микроскопом мозг освещали тонким пучком света, а камера шаг за шагом фотографировала светящиеся нейроны.

Один из нас (Рафаэль Юсте) с помощью такой технологии, получившей название «оптическая регистрация кальция», впервые зарегистрировал активность почти 80% нейронов данио (всего их порядка 100 тыс.). Оказалось, что даже когда личинка рыбки находится в состоянии покоя, многие области ее нервной системы включаются и выключаются, образуя загадочные светящиеся
узоры. О том. что нервная система всегда активна, исследователи знали еще со времен изобретения Бергером метода ЭЭГ. Эксперименты па данио внушают надежду, что новые технологии визуализации помогут понять стойкую спонтанную активность больших групп нейронов - один из важнейших вопросов нейробиологии.

Тем не менее необходимы еще более совершенные технологии, чтобы понять, как активность мозга порождает поведение, и эксперименты с данио только начало. Требуется разработка новых типов микроскопов для наблюдения за активностью нейронов в трехмерном пространстве. Кроме того, оптическая регистрация кальция- слишком медленный метод для наблюдения за высокочастотными разрядами нервных клеток и не позволяет выявить тормозные сигналы, которые снижают электрическую активность клеток.

Нейрофизиологи, работая вместе с генетиками, физиками и химиками, пытаются улучшить оптические методы, чтобы регистрировать не изменение уровня кальция в клетке, а непосредственно изменение потенциала на мембране. Можно ввести в нейрон или встроить с помощью генной инженерии в клеточную мембрану красители, которые меняют свои оптические свойства в зависимости от изменения потенциала: такой метод может оказаться более информативным, чем оптическая регистрация кальция. Этот альтернативный метод, получивший название оптической регистрации мембранного потенциала, в конечном счете позволит исследователям увидеть электрическую активность каждой клетки в целой сети нейронов.

Сейчас оптическая регистрация потенциала находится еще только на этане становления. Химики должны усовершенствовать способность красителей менять цвет или иные характеристики в ответ на генерацию нервного импульса. Красители должны быть безвредными для клетки. Молекулярные биологи уже сконструировали датчики напряжения, закодированные в геноме. Такие клетки считывают нуклеотидную последовательность и синтезируют флуоресцентный белок, который встраивается в наружную мембрану клетки. После этого он может менять степень своей флуоресценции в зависимости от потенциала нейрона.

Как и в случае с электродной регистрацией, современные нанобиологические технологии могут помочь и при оптической регистрации. Например, заменить органические красители или генетические датчики на квантовые точки- маленькие полупроводниковые частицы, демонстрирующие квантово-механические эффекты. Такие частицы могут очень точно регулировать свои оптические свойства, например цвет или яркость свечения. Другой современный материал- наноалмаз - пришел из квантовой оптики. Он высокочувствителен к колебаниям электрического поля вследствие изменения электрической активности клетки. Кроме того, можно создавать гибриды наночастиц и обычных органических или генно-инженерных красителей. В этом случае наночастица будет выступать в качестве антенны», усиливая флуоресцентные сигналы слабой интенсивности.

Проблема глубины

Другая техническая проблема, возникающая при визуализации нейронной активности, связана с тем что сложно регистрировать свет около нейронных цепочек, расположенных в глубине мозга. Для ее решения нейротехнологи тесно сотрудничают со специалистами в области вычислительной оптики, технологии материалов и медицины, которым также необходимо неинаазивно смотреть внутрь непрозрачных объектов, таких как кожа, череп или компьютерная микросхема. Ученым давно известно, что когда на твердое тело падает свет, какая-то часть его рассеивается и по рассеянным фотонам в принципе можно определить особенности отражающего объекта.

Например, свет от фонарика, проходящий сквозь руку, образует на другой ее стороне пятно диффузного света, в котором нет никаких намеков о месторасположении костей или сосудов под кожей. Однако информация о пути, которым свет прошел через препятствие, не утеряна окончательно. Волны света рассеиваются и затем могут интерферировать друг с другом. Если полученный световой рисунок снять на камеру, то с помощью новых вычислительных методов можно получить представление о структуре того, через что шел свет. Такая технология позволила Рафаэлю Пьеступу (Rafael Piestun) и его коллегам из Колорадского университета в Боулдере в прошлом году посмотреть сквозь непрозрачный объект. Эти методы можно объединить с другими оптическими технологиями, втом числе теми, которые используют астрономы для коррекции атмосферных искажений звездного света. Такая так называемая вычислительная оптика может помочь визуализировать флуоресцентные сигналы от потенциал-чувствительных красителей у нейронов, лежащих в глубине мозга.

Некоторые из таких новых оптических технологий были успешно использованы для наблюдения за процессами в мозге человека и животных: исследователи, сняв кусочек черепа, смогли увидеть процессы, протекающие на глубине более 1 мм от поверхности коры, Развитие данного метода позволит в будущем увидеть мозг сквозь кости черепа. Однако подобные оптические технологии не способны регистрировать структуры, лежащие глубоко в мозге. Эту проблему может решить еще одна новая разработка. В настоящее время нейрорадиологи используют микроэндоскопию, когда в бедренную артерию вводят тонкую и гибкую трубку с микроскопическим световодом, который по сосудам можно провести ко всем органам, в том числе и к мозгу. В 2010 г. группа ученых из Каролинского института в Стокгольме разработала устройство, позволяющее не нанося никакого вреда проникать через стенки артерий или иных сосудов, по которым идет эндоскоп, и таким образом создавать возможность для любой регистрации, в том числе и электрической активности, в любых участках мозга, не ограничиваясь только сосудистым руслом.

Несмотря на то что электроны и фотоны на первый взгляд - самые очевидные кандидаты на способы регистрации активности мозга, они не единственные. В ближайшем будущем важную роль могут сыграть генетические технологии. Один из нас (Джордж Черч) вдохновился идеями синтетической биологии, обращающемся с биологическим материалом как с деталями механизма. Недавние исследования показали, что с помощью генной инженерии можно так изменить лабораторных животных, что их нейроны начнут синтезировать молекулу-тикер, которая будет особым и заметным образом изменять что-то в клетке всякий раз. когда нейрон возбуждается. Например, тикер может создаваться ДНК-полимеразой которая считывает последовательность нуклеотидов в одной цепочке ДНК и собирает вторую, комплементарную первой. Приток ионов кальция после генерации импульса нейроном приведет к тому, что полимераза будет синтезировать другую последовательность нуклеотидов. т.е. совершать ошибки. Далее для каждого нейрона мозга экспериментального животного может быть определена полученная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Современная инновационная технология, называющаяся флуоресцентным секвенированием in situ, позволяет выявить изменения и ошибки по сравнению с оригинальной последовательностью нуклеотидов. соответствующие интенсивности или временным характеристикам электрической активности нейрона. В 2012 г. лаборатория Черча сообщила о возможном практическом применении метода ДНК тикера для работы с ионами машин, марганца и кальция.

В будущем посредством методов синтетической биологии предполагается создание искусственных клеток, которые будут выступать в роли наблюдателей, патрулирующих тело человека. Генно-инженерные клетки могут служить и биологическими электродами размером тоньше волоса, которые могут размещаться рядом с нейроном и улавливать его разряды. Электрическая активность может быть зарегистрирована с помощью миниатюрнейших интегральных наносхем расположенных внутри синтетической клетки, способных передавать информацию по беспроводной связи на ближайший компьютер. Это гибридное наноустройство, состоящее из биологических и электронных частей, сможет получать энергию с помощью внешнего ультразвукового передатчика или даже из самой клетки, используя глюкозу. АТФ (аденозин-трифосфат) и другие молекулы.

Включать или выключать

Чтобы понять, что же происходит в огромной паутине мозга, исследователи должны уметь больше, чем просто делать снимки активности. Необходимо иметь возможность включить или выключить выбранную группу нейронов, чтобы узнать, за что она отвечает. В последние годы в нейробиологии получили широкое распространение методы оптогенетики при которых используют животных, генетически измененных так. что их нейроны способны синтезировать светочувствительные белки, взятые у водорослей и бактерий. Когда через оптоволокно приходит свет определенной длины волны, эти белки могут активировать или. наоборот, выключать нейрон. Исследователи используют такой метод для активации нейронных цепей для создания чувства удовольствия и других компонентов реакции па подкрепление или для улучшения моторных навыков при болезни Паркинсона. С помощью онтогенетических методов удалось даже создать ложные воспоминания мышам.

Прежде чем оптогенетические методы могут быть применены для лечения человека они. как и положено продуктам, полученным с помощью генной инженерии, должны пройти долгие процедуры согласования. Для ряда случаев существует более удобная альтернатива. Например, нейротрансмиттер (вещество, регулирующее активность нейрона) можно упаковать в светочувствительную молекулу, как в клетку. Как только на нейрон поступает свет, молекул а-клетка распадается, нейротрансмиттер высвобождается и начинает действовать. Стивен Ротман (Steven Rothman) из Миннесотского университета вместе с лабораторией Юсте в 2012 г. провел исследование, в котором вводил крысам ГЛМК (гамма-аминомасляная кислота - нейротрансмиттер. подавляющий нейронную активность), упакованную в клетку из рутения. У животных химическим образом вызывали эпилептический припадок. Включение импульсного освещения мозга синим светом приводило к высвобождению ГАМК и прекращению судорог. Подобные оптохимические технологии сейчас используются, чтобы определить функцию отдельных нейронных цепочек. В дальнейшем, если эти методы будут развиваться, их можно использовать для лечения некоторых неврологических и психических заболеваний.

От фундаментальных исследований доклинического использования лежит долгий путь. Каждую новую идею о том как можно измерить или изменить активность всей нервной системы, сначала проверяют на дрозофилах, нематодах, грызунах и только потом используют для людей. Предположительно через пять лет напряженной работы ученые получат возможность наблюдать и управлять большинством из 100 тыс. нейронов дрозофилы. Методы регистрации и модуляции нейронной активности мозга мышей вряд ли появятся в ближайшее десятилетие. Некоторые технологии, как, например, тонкие электроды, с помощью которых можно скорректировать нарушенные нервные цепочки, могут появиться в медицинской практике уже через несколько лет, в то время как для других методик понадобятся десятилетия.

По мере роста сложности нейротехнологий потребуются и более совершенные средства хранения и обработки огромного массива накопленных данных. Регистрация активности всех нейронов в коре больших полушарий у мыши может занимать 300 терабайт в час. Но не следует считать эту задачу невыполнимой. Развитые научно-исследовательские базы, такие как астрономические обсерватории, геномные центры, ускорители элементарных частиц, могут получать, объединять и распределять и такой тип данных. Новая научная дисциплина нейроинформатика сможет расшифровать работу нервных систем так же. как и в свое время биоинформатика помогла справиться сданными секвеннрования. полученными в результате проекта по изучению человеческого генома (Human Genome Project).

Умение анализировать петабайты информации поможет не только навести порядок в огромном потоке новых данных. Оно может заложить основы для новых объяснений того, как какофония нервных импульсов преобразуется в восприятие, обучение и память. Анализ огромного массива данных также поможет подтвердить или опровергнуть теории, которые нельзя было проверить раньше. Одна любопытная теория утверждает, что у многих нейронов, образующих нейронную сеть, возникают определенные последовательности разрядов, называемые аттракторами, которые могут отражать различные состояния мозга, такие как мышление, память или принятие решений. В недавнем исследовании мышь должна была принять решение, какой из отсеков виртуального лабиринта, проецируемого на экран, пересечь, В это действие вовлекались десятки нейронов, которые демонстрировали динамические изменения активности, схожие с аттрактором.

Более глубокое понимание работы нейронных цепочек поможет объяснить причины многих заболеваний мозга, от болезни Альцгеймера до аутизма, и улучшить их диагностику. Врачи, получив возможность наблюдать за изменениями в активности отдельных нейронных цепочек, смогут направить усилия на исправление именно этих отклонений, а не просто на борьбу с симптомами. И, естественно, знание о причинах заболеваний даст экономические преимущества медицине и биотехнологиям. Надо рассмотреть и этические и правовые вопросы, как это было и для проекта по расшифровке генома человека, особенно если исследователи получат возможность определять и изменять психические состояния человека. Такие результаты потребуют тщательной защиты личной информации пациента.

Для того чтобы различные программы по изучению мозга были успешны, ученые и их спонсоры должны сконцентрироваться именно на наблюдении и управлении нейронными цепочками. Идея программы DRAIN родилась из публикации в журнале Neuron в июне 2012 г. В ней мы и наши коллеги предложили проект долговременного сотрудничества физиков, химиков, нанотехнологов, молекулярных биологов и нейробиологов для разработки «карты активности мозга- с помощью новых методов регистрации и управления электрической активностью нейронных цепочек.

Что делает одних людей более уязвимыми к галлюцинациям, чем других? Впервые ответ на этот вопрос дал эксперимент, осуществленный с помощью мозгового сканера.

Оказалось: у людей, которые чаще слышат голоса, которых не существует, мозжечок менее активный. А именно этот участок мозга выполняет функцию защитника от ошибочного восприятия. Если его работоспособность ослабляется, то слишком сильные ожидания могут привести к возникновению галлюцинаций, информируют ученые в журнале «Science».

Во время галлюцинаций люди воспринимают вещи, которые существуют только в их голове. Это становится возможно, потому что их мозг просто перестает обрабатывать раздражители. Вместо этого он интерпретирует и согласовывает их с ожиданиями, что уже присутствуют в сознании человека. При галлюцинациях эти процессы протекают без стимуляции сигнала-раздражителя. Этот «холостой ход» чаще случается у людей с психозами или высокой температурой, но может быть спровоцирован у здоровых лиц, например, в результате длительного лишения раздражителей.

Но почему некоторые люди больше склонны к галлюцинациям, чем другие? Неужели их мозг работает иначе? Чтобы это выяснить, Альберт Поверс (Albert Powers) и его коллеги из Йельского университета пригласили принять участие в эксперименте четыре различные группы испытуемых: психически здоровых людей, которые регулярно слышат голоса, людей, которые слышат голоса и страдают от психозов, а также здоровых и больных, которые еще никогда не имели голосовых галлюцинаций.

Все участники смотрели на экран, на котором постоянно блимала шахматная доска. Параллельно с этим в течение секунды включали звук - но не всегда: сначала шахматная доска сопровождалась звуком, позже он становился тише и потом исчезал совсем. Каждый раз, когда испытуемые считали, что слышат звук, пришлось нажать на кнопку - чем дольше, тем они были более определенными, что слышат звук. Во время опыта ученые записывали мозговую активность испытуемых с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ).

Результат: в начале постоянная комбинация шахматной доски и звука почти у всех участников исследования провоцировала так называемые рефлекторные галлюцинации: люди верили, что слышат звук тогда, когда его не было. Причина: поскольку сначала оба стимула появлялись вместе, мозг приучился к этому и ожидал дальнейшем такого сочетания.

«Люди воспринимают то, что ожидают, а не то, что рассказывают нам собственные ощущения», - пояснил Поверс . Иначе говоря: цепь обработки информации в мозге сочетает визуальные стимулы с акустическими ожиданиями. Учитывая то, что гипотетически шахматную доску сопровождал звук, наш мозг добавил его тогда, когда в действительности ничего не звучало.

Восхищает то, что не все испытуемые были в равной степени уязвимы к этим рефлекторным галлюцинациям. У участников, которые ранее уже слышали голоса, такие галлюцинации возникали в пять раз чаще. Эти субъекты исследования были на 28 % более уверены, что звуки на самом деле были.

Зато здоровые испытуемые без предыстории галлюцинаций во второй части разведки замечали, что акустический сигнал все чаще отсутствовал. Поэтому они реже давили на кнопку «да» и в целом были менее уверены, что слышат звук.

Собственно это может объяснить, какие люди более уязвимы к галлюцинациям: обычно наш мозг способен сменить некогда сформированные ожидания. Он их постоянно проверяет с помощью актуального чувственного опыта. Если ожидания и стимулы не подходят друг к другу, то ожидания подстраиваются. Но не у людей с психозами или в тех, что склонны к галлюцинациям: здесь проверка функционирует хуже. Их мозг оценивает события в соответствии с уже накопленных ожиданий и на чувственные стимулы извне обращает мало внимания. «Этот разлад между ожиданиями и чувственными стимулами может впоследствии продуцировать галлюцинации», - говорит Поверс .

Доказательствами взаимосвязи между надстабильными ожиданиями и галлюцинациями ученые считают и результаты сканирования мозга: чем чаще и стабильнее подопытные имели рефлекторные галлюцинации, тем менее активным был их мозжечок. Он играет важную роль при планировании и координации движений и вынужден постоянно согласовывать информацию с чувственными раздражителями извне, объяснили ученые. У людей с психозами и людей, склонных к галлюцинациям, это согласование тормозится, а мозжечок - менее активный. «То есть мозжечок определяющий страж истинного восприятия», - пояснил Поверс.

Другой участок мозга - гиппокамп - также функционирует с отклонениями, когда люди слышат голоса. Обычно он согласовывает чувственные раздражители с воспоминаниями и полученным опытом. Также этот участок мозга играет важную роль при проверке предпосылок, объяснили ученые. В эксперименте активность гиппокампа была тем выше, чем более неопределенными были подопытные относительно того, прозвучал ли звук .

Так, разведка дает ценные показания о механизмах, которые провоцируют галлюцинации и то, что делает некоторых людей особенно склонными к ним. Поверс и его коллеги объяснили, что однажды эти знания помогут заблаговременно идентифицировать склонных к таким психическим расстройствам людей. Одновременно получение свидетельства про вовлеченные мозговые регионы могут помочь разработать целенаправленную терапию против акустических галлюцинаций.