связность мозга

Четыре старые карты лежали в разных ящиках стола. На каждой были отмечены гены, связанные со старением клеток, но карты не совпадали: разные названия, разные масштабы, разные легенды. Учёному, который искал ген для эксперимента, приходилось сверять их вручную, рискуя пропустить важную отметку. SenSASP сшила эти карты в одну.

Мозг похож на город, где каждая клетка — житель, а её судьба зависит от соседей. Раньше считалось, что старение каждой клетки — её личное дело: накопились повреждения в ДНК, значит, клетка износилась сама по себе. Но новое исследование показывает, что даже способность клетки чинить свою ДНК зависит от того, кто живёт рядом.

Лес стареет по-разному. В одном месте деревья редеют постепенно, как будто устали расти, а в другом — упорно цепляются за жизнь, тратя силы на починку повреждённых ветвей. Примерно так же выглядит старение коры мозга, если посмотреть на неё через призму тысяч МРТ-снимков. Учёные взяли снимки 952 здоровых людей и разбили кору на 148 участков.

Джазовое трио играет в полумраке клуба. Пианист ведёт мелодию, контрабасист держит ритм, барабанщик рассыпает дробь. Если слушать только пары музыкантов, можно уловить, как пианист подстраивается под бас или бас под барабаны. Но главное рождается, когда все трое импровизируют одновременно: одна фраза пианиста меняет игру барабанщика, а та, в свою очередь, подталкивает контрабасиста к новому ходу.

В 1980-х годах соревнование DARPA по распознаванию речи положило конец спору между статистическими методами и рукописными правилами, задав единый стандарт для всей области. Для речевых нейроинтерфейсов, переводящих мозговую активность в слова, такого общего эталона до сих пор не было: каждая система использует свой словарь, способ записи и тип речи.

Представьте большой оркестр без дирижёра. Каждый музыкант слышит всех остальных и подстраивается под общий гул. Если каждый инструмент усиливает соседей, звук нарастает до визга, а если иногда приглушает — оркестр может замереть в тишине или сорваться в какофонию. Примерно так ведут себя сети нейронов, где связи между клетками работают как ручки громкости: одни усиливают сигнал, другие ослабляют.

В 2023 году в Бельгии 101 человек в возрасте от 50 до 69 лет провёл несколько дней в лаборатории, где его мозг сканировали, записывали сон и просили решать задачи на память и внимание. Так родился набор данных COFITAGE, в котором каждый участник описан с пяти сторон: молекулярной, структурной, физиологической, генетической и когнитивной.

Мозг как дом, который построили слишком просторным: красиво жить, но дорого обслуживать. Болезнь Паркинсона обычно представляют как разрушение этого дома, когда нейроны гибнут и структуры съёживаются.

Старый атлас автомобильных дорог лежит на столе. На его страницах линии соединяют города, а толщина линий говорит о том, насколько оживлённым было сообщение. Нейросеть смотрит на такую карту и называет возраст машины, которая по ней ездила. Примерно так устроена модель, которую обучили предсказывать возраст человека по карте связей его мозга.

Эпителий выстилает наши органы, как плитка — пол. В покое клетки держатся друг за друга, и ткань упруга. Но во время развития зародыша, заживления раны или роста опухоли этот слой начинает течь, как густой мёд. Что именно запускает такое размягчение?

Представьте стадион, заполненный зрителями, который впервые слышит голос комментатора — и мгновенно вся толпа приходит в движение. Сообщение звучит снова и снова, но откликается лишь горстка людей на соседних рядах.

Вода внутри нервных волокон движется не как в стакане — она постоянно натыкается на стенки аксонов (длинных отростков нервных клеток). Если сделать паузу между радиоимпульсами МРТ совсем короткой, вода не успевает далеко уйти, и её перемещение отражает тесноту окружающего пространства.

Нейрон получает тысячи сигналов на свои ветвистые отростки — дендриты. Одни сигналы подталкивают клетку к срабатыванию (возбуждение), другие удерживают (торможение). Долгое время считалось, что нейрон просто складывает все «за» и «против». Но в реальных дендритах торможение работает иначе: оно способно не вычитать, а делить возбуждающий сигнал.

Ночной город: в одних окнах горит свет, в других темно. Если соединить линиями окна, которые зажигаются одновременно, получится паутина связей. Такую паутину исследователи изучили для крошечных мозговых органоидов — живых скоплений нервных клеток, выращенных в лаборатории.

Мозг в медитации можно представить как оркестр, где внимание — дирижёр. Когда вы сосредоточены на дыхании, все «инструменты» играют слаженно. Но вот мысль-виолончель берёт фальшивую ноту — это естественное блуждание ума. Опытный дирижёр не паникует: он мгновенно улавливает диссонанс и мягко возвращает оркестр к главной мелодии — дыханию. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

Семейное древо превращается в клубок, если учесть приёмных детей и повторные браки. Эволюция часто похожа на такой клубок: хотя стандартная модель — традиционное представление о дивергентной эволюции, где виды ветвятся подобно дереву — рисует аккуратное древо видов, на деле гены кочуют не только по наследству, но и напрямую между неродственными организмами — этот…

Ледяной узор на оконном стекле не расползается равномерно — он прорастает ветвями, захватывает новые участки, порой отсекая пустоты. Такой рост — не плавная экспансия, а череда рывков. Этот образ удивительно созвучен математической модели, придуманной Чарльзом Лёвнером сто лет назад. Она описывает, как расширяются области в комплексной плоскости под действием одномерного сигнала — управляющей функции W(t).

Почему одни системы — от генных сетей до авиаперевозок — хранят отпечатки прошлого дольше других? Долгое время сетевая наука винила топологию: число связей, модульность, спектр. Но две сети с одинаковым скелетом могут помнить и забывать совершенно по-разному. Ключ — в геометрии весов: в том, как силы взаимодействий распределены по направленным путям.

Мозг не учит каждую задачу с нуля — он переносит опыт с одного дела на другое. Но как узнать, какие задачи действительно родственны? Нейробиологи придумали остроумный ход: дать искусственной сети «подсмотреть» активность мозга во время одной задачи и попробовать предсказать активность во время другой. Если получается хорошо — значит, задачи близки.

Лоскутное одеяло, где каждый лоскут — запись активности небольшого участка мозга. Один лоскут сшили в понедельник в Лондоне, другой — во вторник в Нью-Йорке, а третий вообще месяц назад в Токио. Вся эта мозаика покрывает мозг лишь частично, и нет общего шва, чтобы их соединить.

Сборка нервной системы похожа на строительство города, где каждый новый дом — нейрон — должен вовремя подключиться к дорогам-связям. У крошечного червя C. elegans этот процесс можно увидеть в деталях: у него всего 302 нейрона, и учёные восстановили их контакты на разных стадиях развития.

Нейрон похож на электрическую цепь с батарейками и переменными резисторами. Роль резисторов играют ионные каналы — белковые поры в мембране, которые открываются и закрываются, пропуская заряженные частицы. От того, как быстро и при каком напряжении срабатывают эти поры, зависит, родится ли нервный импульс.

Нейронная сеть, словно лист бумаги в клетку, получает на вход однородные сигналы — и сама расчерчивает на себе координатную сетку. Сначала связи между входами и клетками сети становятся похожи на пологий холм: в центре отклик сильнее, а к краям затухает. Так рождается устойчивое пятно активности — коллективный узор, который держится сам.

Вы рассказываете другу историю, а его мозг словно настраивается на вашу волну — одни и те же участки активируются в такт вашим словам. Учёные записали такую «нейронную синхронизацию» с помощью магнитоэнцефалографии (прибора, улавливающего магнитные поля мозга) и решили проверить, может ли компьютерная языковая модель повторить этот танец смыслов.

Когда дирижёр покидает оркестр, музыканты ещё какое-то время играют по памяти. Но без единого ритма каждый начинает ускоряться или замедляться сам по себе, и слаженная симфония превращается в разрозненный шум. Примерно так же, судя по новой работе, ведут себя мозг и сердце в последние часы жизни человека.

Квантовая частица, пробегая по замкнутому кольцу, оставляет на своём пути две разные «записи». Первая — словно отпечаток пальца на дверной ручке: он остаётся неизменным, сколько бы раз вы ни поворачивали ручку, и говорит только о форме и материале.

Инженеры строят автомобиль. Одни собирают точную копию двигателя, каждый поршень и свечу, но машина не едет — нет руля и колёс. Другие создают быстрый самоуправляемый карт, однако его мотор из пластилина не похож на настоящий. Примерно так же обстоят дела в науке о мозге.

Художник пишет картину, поглядывая на зрителя в зале. Если зритель улыбается — художник добавляет на холст больше красного и округлых линий, если хмурится — убирает синий и ломает углы. Примерно так же нейробиологи «допрашивают» нейроны зрительной коры, только вместо красок — сотни тысяч фотографий, а вместо улыбки — электрический импульс.

Мозг похож на город: районы — это области мозга, а дороги — нервные пути, и на каждой дороге своя интенсивность движения. У каждого человека эта транспортная сеть уникальна, как отпечатки пальцев. Что же строит маршруты — чертежи, заложенные с рождения, или повседневные поездки, которые прокладывают новые тропы?

Мозг постоянно жонглирует задачами: то реагирует на резкий звук, то решает уравнение, то погружается в грёзы. Учёные давно подозревали, что за этим стоят переключения между разными «сценариями» работы нейронных сетей, но выделить их из хаоса электрических сигналов было трудно.

Мозг устроен как многоэтажное здание: нижние этажи обрабатывают простые сигналы, а верхние собирают их в сложные образы. Учёные давно подозревают, что этот порядок связан с тем, как нейроны работают вместе. Но как именно — оставалось загадкой. Исследователи записали электрическую активность тысяч нейронов в зрительной коре и гиппокампе мыши.

Внутри каждого нейрона есть длинный тонкий канал — аксон, по которому сигнал идёт от тела клетки к другим клеткам. Чтобы канал работал, по нему постоянно курсируют митохондрии — крошечные органеллы, которые вырабатывают энергию. Они движутся в обе стороны, как машины по узкой дороге.

Старение мозга похоже на износ моста: трещины появляются незаметно, но если вовремя укрепить опоры, конструкция простоит дольше. Такими опорами оказались три обычные вещи — сила рукопожатия, способность долго двигаться без одышки и объём лёгких. Врачи наблюдали за 51 517 британцами 12 лет и увидели: у людей с самым высоким уровнем каждой из этих способностей деменция развивалась вдвое реже, чем у самых слабых.

Два бегуна на одной дорожке. Один стартует с середины дистанции, другой — с нуля. Кто быстрее? Ответ очевиден, но в науке о мозге такой трюк долго оставался незамеченным. Нейросети, повторяющие связи настоящего мозга мухи-дрозофилы, считались более умелыми учениками, чем случайные сети. Их хвалили за быстрый старт и экономию времени. Но вот бегунов поставили на одну линию.

Современные микроскопы видят мозг в мельчайших деталях: не только сами синапсы — места контакта между нейронами, — но и то, из каких молекул они собраны. Таких снимков становится всё больше, а их стоимость падает.

Нейрон в мозге похож на человека, который раздаёт свои визитки на многолюдной конференции. Сначала он легко знакомится, но по мере заполнения записной книжки каждый новый контакт требует всё больше усилий — свободного места остаётся мало. Это правило «скученности» авторы положили в основу модели: чем больше входящих связей уже есть у нейрона, тем труднее сформировать ещё одну.

Мозг в покое не молчит: его области переговариваются, и эти разговоры можно подслушать с помощью томографа. Обычно учёные следят за силой сигнала — насколько громко «звучит» каждая зона. Но у разговора есть и ритм: одни области вспыхивают одновременно, другие — с задержкой. Ритм улавливают, сравнивая фазы колебаний — как в музыке, где важны не только ноты, но и совпадение долей.

Нейроны в мозге и узлы в искусственных нейросетях оперируют не только отдельными «да» и «нет», но и плавно меняющимися величинами: где именно находится предмет, какого он размера. Но нейронный ответ — штука капризная: один и тот же стимул вызывает чуть разные всплески активности от раза к разу.

В мозге мыши около 70 миллионов нейронов, и связи между ними распределены далеко не поровну: у одних клеток всего пара десятков контактов, у других — тысячи. Это как город, где есть тихие переулки и многолюдные площади. Но до сих пор было неясно, как такая неоднородность влияет на саму работу мозга.

Мозг похож на огромный город: районы-области общаются между собой по улицам-нервным путям. Если светофоры на перекрёстке ломаются, движение замирает. Так и в мозге: если пучки нервных волокон (белое вещество) работают плохо, далёкие области перестают действовать согласованно, и мысль буксует.