19.06.2021 17:00
В эксперименте ученых 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.
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. Никто не знает, 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 «в мозгу должны быть какие-то неоткрытые и даже не представленные гипотетически механизмы, которые позволяют ему держать ситуацию под контролем».
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 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.
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. — Дрейф репрезентаций — не само обучение; обучение — огонь, а дрейф — дым».
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03628-7.epdf
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7385530/
https://22century.ru/popular-science-pu ... onal-drift
