«Нам, учёным, должно быть ясно, что происходит, но в данном случае мы в полном недоумении».
Карл Шуновер (Carl Schoonover) и Эндрю Финк (Andrew Fink) сбиты с толку. Они нейробиологи и знают, что головной мозг обязан быть гибким, но не слишком. Получая новые данные, он должен перестраивать свою работу, но при этом картина внешнего мира должна оставаться связной. Как у него это выходит? В учебниках по неврологии объясняют довольно просто: когда владелец нейронов слышит звонок, вдыхает запах розы или видит закат, непременно «выстреливают» определённые группы нейронов. Подразумевается, что в разные моменты времени эти репрезентации — паттерны нейронной активности — одни и те же. Однако, как обнаружили Шуновер, Финк и другие исследователи, иногда дело обстоит иначе. Репрезентации меняются — причём весьма неожиданно и странно.
В эксперименте Шуновера, Финка и их коллег из Колумбийского университета (Columbia University) мыши в течение нескольких дней и недель чувствовали одни и те же запахи. При этом учёные отслеживали активность нейронов в грушевидной (пириформной) коре мышиного головного мозга — в той его области, которая участвует в распознавании запахов. Под действием определённого запаха «выстреливала» особая группа нейронов данной области. Однако со временем в составе этих групп постепенно происходили изменения. Некоторые нейроны переставали реагировать, и их место занимали другие. Через месяц каждая группа почти полностью обновилась. Например, разница между теми нейронами, которые репрезентировали яблочный запах в мае, и теми, которые репрезентировали этот же запах в июне, оказалась столь же существенной, как и разница, которая в какой-то момент времени наблюдается между двумя группами нейронов, одна из которых репрезентирует запах яблок, а другая — запах травы.
Это, конечно, всего лишь одно исследование одной области головного мозга, в эксперименте с мышами. Однако этот же феномен, называемый дрейфом репрезентаций, наблюдался в головном мозге и другими исследователями, причём не в грушевидной коре, а за её пределами. То, что данный феномен существует, очевидно; всё остальное — загадка. Шуновер и Финк признались мне, что не знают, почему происходит дрейф репрезентаций, в чём его смысл, как головной мозг осуществляет его и какие части мозга участвуют в этом деле. Как животные могут устойчиво чувствовать мир, если их нейронные реакции на этот мир постоянно меняются? Если такая изменчивость обычна, то, утверждает Шуновер, «в мозгу должны быть какие-то неоткрытые и даже не представленные гипотетически механизмы, которые позволяют ему держать ситуацию под контролем». «Нам, учёным, — добавляет он, — должно быть ясно, что происходит, но в данном случае мы в полном недоумении. Похоже, что в ближайшие годы разгадки не будет».
Шуновер и Финк уже потратили годы лишь на то, чтобы факт дрейфа репрезентаций в грушевидной коре перестал вызывать сомнения. Им потребовалось разработать хирургические методы имплантации электродов в мышиный головной мозг и, что особенно важно, удержания имплантированных электродов в одном и том же месте в течение многих недель. Без применения этих методов учёные не могли бы точно установить, что обнаруженный ими дрейф действительно вызван изменениями в группах нейронов, а не перемещениями электродов. Шуновер и Финк взялись за разработку методов имплантации в 2014 году. В 2018 году они обрели, наконец, уверенность в том, что запись получаемых в ходе их эксперимента данных будет стабильной. Затем учёные приступили к самому эксперименту, предлагая мышам с имплантированными электродами периодически вдыхать различные запахи.
Команда установила, что если какой-то нейрон грушевидной коры реагирует на конкретный запах, вероятность того, что этот же нейрон будет реагировать и через месяц, составляет всего один к пятнадцати. Какой момент времени ни возьми, в ответ на появление того или иного запаха «выстреливает» одно и то же количество нейронов, но состав этой группы нейронов меняется. Ежедневное вдыхание какого-то запаха может замедлить дрейф репрезентаций, но не устраняет его. Странно, что не происходит и обучение: формируя у мышей устойчивую ассоциацию определённого запаха с лёгкими электрическими разрядами, побуждающую животных держаться от него подальше, мы не остановим ротацию нейронов, репрезентирующих этот запах.
«В этой области исследований принято считать, что реакции нейронов в сенсорных областях имеют стабильный характер, — говорит Янив Зив (Yaniv Ziv), нейробиолог из Института Вейцмана (Weizmann Institute of Science), не принимавший участия в данном исследовании. — Теперь ясно, что дело обстоит иначе».
Исследование многих частей головного мозга «наводило на эту мысль, по меньшей мере, 15 лет», отметил в беседе со мной Шуновер. Например, гиппокамп помогает животным ориентироваться в окружающей среде. Он содержит нейроны места, которые избирательно срабатывают, когда их владелец меняет одну локацию на другую. Пройдите от кровати к двери — и в ходе данной локомоции будут «выстреливать» разные нейроны места. Но их предпочтения не имеют фиксированный характер: Зиву и другим исследователям удалось показать, что места, на которые настроены эти клетки, со временем тоже могут меняться.
В другом эксперименте нейробиолог Лора Дрисколл (Laura Driscoll), которая сейчас работает в Стэнфордском университете (Stanford), помещала мышей в виртуальный Т-образный лабиринт и учила их двигаться влево или вправо. Решение этой простой задачи зависит от задней теменной коры — области головного мозга, играющей важную роль при пространственном мышлении. Дрисколл и её коллеги обнаружили, что активность в данной области мозга также менялась: нейроны, «выстреливавшие», когда мыши бегали по лабиринту, постепенно замещались другими, хотя выбор грызунов оставался прежним.
Эти результаты были удивительными, но не слишком. Участие гиппокампа требуется также при научении и кратковременном запоминании. Нетрудно предположить, что он должен осуществлять перезапись и, следовательно, постоянно менять репрезентации. «До сих пор наблюдения за дрейфом репрезентаций ограничивались теми областями головного мозга, где мы могли допускать это смещение», — говорит Шуновер. Грушевидная кора — особый случай. Она функционирует как сенсорный узел — область, которая позволяет мозгу различать стимулы. Этот узел должен быть стабильным: ведь иначе запахи не смогут быть знакомыми! Если дрейф репрезентаций может идти в грушевидной коре, тогда вполне вероятно, что он — обычное явление для всех областей головного мозга.
Этот дрейф, возможно, не является обычным в других сенсорных узлах, таких как зрительная кора, которая обрабатывает информацию, идущую от глаз. Нейроны, реагирующие на запах травы, могут меняться от месяца к месяцу, но те, которые реагируют на вид травы, вероятно, в основном остаются неизменными. Это может быть связано с высокой степенью организации зрительной коры. Здесь смежные группы нейронов, как правило, представляют смежные фрагменты обозреваемого нами пространства, и такое упорядоченное отображение может препятствовать смещению нейронных реакций. Однако это, возможно, имеет силу только для простых зрительных стимулов, таких как линии или полосы. Даже в зрительной коре мышей, на протяжении многих дней вынужденных выступать в роли зрителей одних и тех же фильмов, Зив обнаружил признаки дрейфа репрезентаций.
«Он, похоже, не исключение, а правило, — говорит Шуновер. — Поскольку, по-видимому, так и есть, отныне мы будем искать места, в которых он не происходит». А в местах, где он несомненно происходит, добавляет Финк, «нужно ответить на три вопроса: Как быстро он идёт? Как далеко он заходит? И … насколько это плохо?»
Как головной мозг узнаёт, чтó нюхает нос или чтó видят глаза, если нервные реакции на запахи и картины окружающего пространства непрерывно меняются? Возможно, что мозг каким-то образом корректирует свою работу с учётом дрейфа репрезентаций. Например, части мозга, связанные с грушевидной корой, могут постепенно обновлять своё осмысление того, что означает нейронная активность этой коры. Вся система меняется, причём комплексно.
Возможно, однако, что некоторые высокоуровневые свойства «выстреливающих» нейронов остаются неизменными, несмотря на замену одних конкретных нейронов другими. В разговоре со мной нейробиолог из Кембриджского университета (University of Cambridge) Тимоти О’Лири (Timothy O’Leary) сделал эту гипотезу понятнее с помощью простой аналогии:
«Индивиды, из которых состоит популяция, могут изменять свои взгляды, сохраняя при этом общий консенсус. В большой популяции, как и в головном мозге, много способов репрезентации одного и того же сигнала, поэтому у нейронного кода есть пространство для движения».
Некоторым нейробиологам удалось обнаружить в головном мозге признаки наличия стабильных высокоуровневых паттернов, но не в грушевидной коре. Когда Шуновер и Финк попытались получить сходные результаты и для неё, у них ничего не вышло. Ни они, ни их коллеги не могут чётко объяснить, как головной мозг справляется с дрейфом репрезентаций. Более того: им не очень-то понятно, почему это смещение вообще происходит.
Дрейф репрезентаций может быть просто дефектом нервной системы — проблемой, которую необходимо решать. «Связи во многих частях головного мозга постоянно образуются и разрушаются, и каждый нейрон сам постоянно перенастраивает клеточный материал», — говорит О’Лири. Возможно, такого рода система — серая, хлипкая версия корабля Тесея — обречена дрейфовать с течением времени. Впрочем, поделился со мной О’Лири, эта гипотеза «слабовата». Нервная система способна поддерживать точные и целенаправленные связи, например, между мышцами и нервами, управляющими их работой. Дрейф репрезентаций не выглядит неизбежным.
С другой стороны, он может оказаться весьма полезным. Непрерывно меняя способ хранения имеющейся информации, нервная система, по-видимому, лучше усваивает новые данные. «В процессе дрейфа репрезентаций информация, потерявшая полезность, забывается, а информация, оставшаяся полезной, обновляется, — говорит Дрисколл, которая в настоящее время проверяет эту гипотезу с помощью искусственных сетей. — Чем больше я размышляю о дрейфе, тем больше нахожу смысла в его использовании головным мозгом». Шуноверу тоже нравится эта гипотеза. «Мы склонны интерпретировать дрейф как проявление обучения», — заявил он в беседе со мной. — Дрейф репрезентаций — не само обучение; обучение — огонь, а дрейф — дым».
Шуновер и Финк сравнивают открытие дрейфа репрезентаций с открытием астронома Веры Рубин (Vera Rubin). В 70-х годах ХХ века Рубин и её коллега Кент Форд (Kent Ford) заметили странный характер вращения некоторых галактик: казалось, что они нарушают законы ньютоновской механики. Проведя анализ данных, Рубин получила первое прямое подтверждение существования тёмной материи — материи, которая преобладает во Вселенной, но при этом ненаблюдаема. Точно так же, говорит Шуновер, дрейф репрезентаций указывает на «что-то такое, чего мы не видим и пока не понимаем».
Однако в одном важном отношении сравнение дрейфа репрезентаций с вращением галактик Рубин явно хромает. Рубин обнаружила странный факт благодаря тому, что могла сравнить полученные ею данные с данными ньютоновской механики — солидной и подробно изложенной теории физики. В нейробиологии такой теории нет. Эта наука очень чётко описывает работу отдельных нейронов, но становится расплывчатой, когда дело доходит до нейронных сетей, всего головного мозга или всего поведения животных.
Возьмём саму идею о том, что специфические паттерны «выстреливающих» нейронов могут репрезентировать различные запахи, картины окружающего пространства или звуки. Эта связь кажется довольно простой — с точки зрения экспериментатора, который, подвергнув животное воздействию раздражителя, выискивает в его головном мозге активные нейроны. Но самому мозгу, чтобы выяснить, что заставило «выстрелить» группу нейронов, необходимо работать только с половиной данного уравнения, с группой активных нейронов. «Наша способность декодировать эту информацию ещё не означает, что её декодирует и мозг», — говорит Джон Кракауэр (John Krakauer), нейробиолог из Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University).
По этой причине Кракауэр квалифицирует исследование Шуновера и Финка не только как «техническое достижение», но ещё и как «слегка провокационное». По его словам, идея дрейфа удивительна и восхитительна только в сравнении с бесхитростной хрестоматийной трактовкой репрезентаций, у которой нет солидного теоретического обоснования и которую уже давно подвергают сомнению. Это часть фундаментальной нейробиологической проблемы, заявил мне Кракауэр. «Обычная нейробиология имеет дело с очень конкретными методами и результатами и упаковывает их в расплывчатое облако плохо связанных друг с другом понятий, — говорит он. — Во многих нейробиологических исследованиях предпосылки остаются неизученными, но всё остальное безупречно».
Идея стабильных репрезентаций, соглашается Финк, никогда не была теорией: скорее, она «молчаливо принятое предположение», которое используют, «потому что оно простое». Ну, а как же могло быть иначе? Допустим, это предположение ложное. А что взамен?
«Наша область исследований жаждет новых идей», — сказал мне Финк. Вот почему, по его мнению, он и Шуновер ещё не встретили того ожесточённого сопротивления, которое, как правило, вынуждены преодолевать учёные, получившие революционные данные. «Люди прямо-таки отчаянно требуют теорий. Наша область исследований настолько сыра в концептуальном плане, что мы поныне находимся на уровне эмпирических обобщений, где ничего нельзя исключать». У репрезентаций самой нейробиологии всё ещё масса пространства для дрейфа.
