Нейроны и когнитивные науки q-bio.NC

Квантовая механика подарила нам чарующий образ: состояние системы — не замершая точка, а волна возможностей, танцующая в абстрактном пространстве. Благодаря работам Шрёдингера и Дирака мы изображаем её векторами в гильбертовом пространстве.

В 1935 году Эрвин Шрёдингер, вглядываясь в уравнения квантовой механики, увидел нечто странное: две частицы могут быть связаны так тесно, что состояние одной мгновенно определяет состояние другой, даже если их разнести на километры. Он назвал это «запутанностью» и признался, что не считает её свойством реальности, а скорее дефектом теории.

Перед важным разговором человек тянется к телефону, но не набирает номер. Внутри уже есть несколько вариантов фраз, но ни одна не выбрана. Такое состояние — когда варианты существуют, но ни один не победил — авторы работы называют «блуждающими переменными». Чтобы описать это на языке математики, они строят граф: узлы — это образы, слова, воспоминания, а связи между ними — насколько они близки.

В операционной тишина. Хирург медленно опускает в мозг пациента иглу тоньше человеческого волоса. На её конце — не остриё, а целый частокол из девятисот шестидесяти микроскопических микрофонов. Каждый слушает свой крошечный участок серого вещества. Так впервые в мире в мозг живого человека вошёл зонд Нейропиксели — прибор, который раньше работал только на мышах и обезьянах.

Кора головного мозга похожа на смятый лист бумаги: у неё есть толщина, изгибы и глубина складок. С возрастом этот лист меняется неравномерно — где-то истончается, где-то теряет чёткость изгибов. Раньше врачи оценивали возраст мозга целиком, как будто смотрели на лист издалека.

Участок мозга размером с горошину заставляет крысу замереть на полушаге. Лазерный луч попадает на светочувствительные клетки, и животное останавливается, будто наткнулось на невидимую стену. Так работает ростральное педункулопонтинное ядро — скопление нейронов в стволе мозга, которое управляет движением. Авторы работы собрали недорогую установку с камерой и мини-компьютером.

Детектив ищет преступника по картотеке, но портреты в ней перемешаны. Обычно он ждёт человека с седой бородой, а преступник — молодой и без бороды. Так и врачи часто не узнают болезнь Альцгеймера у тех, у кого она проявляется необычно: не потерей памяти, а проблемами со зрением или речью. Болезнь Альцгеймера обычно связывают с накоплением в мозге двух белков — амилоида и тау.

Человек пытается не думать о ссоре, которая случилась утром, но в голову лезут яркие картинки. Одновременно он готовит отчёт и держит в уме цифры. Получается плохо: память мешает работе, а работа не даёт забыть. Учёные решили проверить, как мозг справляется с такой двойной нагрузкой у людей с разным уровнем тревожности. В опыте участвовали 47 здоровых добровольцев.

Мозг за день накапливает впечатления, как комната — вещи. Ночью, во время глубокого сна, он не просто отдыхает, а наводит порядок: перебирает дневные события и решает, что оставить, а что выбросить. Учёные построили компьютерную модель мозга, которая днём учится на нескольких примерах, а ночью «пересматривает» их, как будто видит сны.

Переезжая в новую квартиру, человек не учится заново открывать двери и включать свет. Опыт из старого дома переносится сам собой: кухня — это место с плитой и мойкой, спальня — с кроватью. Мозг хранит не точную карту, а гибкую схему, которую накладывает на незнакомое пространство. Учёные построили компьютерную модель такого переноса. В ней два этажа.

Офис, где сотрудники обмениваются записками. Пока задач мало, каждый работает сам по себе. Но приходит срочный заказ — и одни отделы начинают активно слать сообщения другим, а общая работа становится слаженнее. Примерно так ведет себя мозг, когда мы пытаемся удержать в уме несколько вещей одновременно. Ученые нашли способ заглянуть в эту «переписку».

Ночью мозг не выключается. Вместо этого он перебирает события дня, как библиотекарь расставляет книги по полкам. Но откуда берутся странные, порой бессмысленные образы во сне? Многие считали, что это просто случайный шум, не имеющий значения. Новая компьютерная модель показывает: случайность не мешает, а помогает. Мозг берёт случайные сигналы и превращает их в полезный опыт.

Личинка рыбки данио-рерио почти прозрачна, и её мозг можно разглядеть под микроскопом. Но даже у такого крошечного существа нейронные связи запутаны так, что разобраться в них вручную почти невозможно. Учёные сделали хитрый ход: создали точную компьютерную копию этой личинки, где каждая связь известна. Получился виртуальный полигон для проверки методов.

В мозге каждого из нас есть невидимая сеть, которая держит нейроны на своих местах и задаёт им правила общения. Эта сеть — внеклеточный матрикс, белковое окружение клеток. В молодости она гибкая, как свежий резиновый жгут, и позволяет связям между нейронами легко перестраиваться, когда мы учимся новому. Но с возрастом что-то меняется: жгут твердеет, и память начинает буксовать.

Языковая модель — это многослойная конструкция, где каждый слой обрабатывает слова по-своему. В начале обучения слои хаотичны, но постепенно выстраиваются в две команды. Первая команда работает по-простому: её внутренняя геометрия сглаживается, становится менее запутанной. Вторая остаётся сложной и витиеватой.

Когда рука ведёт линию, взгляд почти всегда бежит впереди — как разведчик, который заглядывает за поворот до того, как туда свернёт колонна. Но насколько далеко впереди? Оказалось, у каждого человека это расстояние своё, и оно не меняется от попытки к попытке.

В оркестре стареющего мозга инструменты расстраиваются один за другим. Сосуды, доставляющие кислород, истончаются. Изоляция нервных волокон, как обмотка старых проводов, теряет плотность. Мастерская по рождению новых нейронов, расположенная в гиппокампе, замедляет конвейер. Дирижёр этого оркестра, как выяснилось, сидит не в голове, а в животе.

Мозг каждого человека покрыт извилинами, как отпечаток пальца — своим неповторимым узором. При деменции этот узор меняется, но у двух похожих болезней, Альцгеймера и деменции с тельцами Леви, изменения почти неотличимы на глаз. Врачам нужен надёжный способ их разделить, ведь лечение разное.

Крыса бежит по дорожке — не потому, что её заставляет мотор, а потому, что ей самой захотелось. На черепе у неё сетка из 32 крошечных датчиков, как шапочка для плавания, только с проводками. Датчики ловят слабые электрические волны, которые испускает мозг. Раньше, чтобы понять, с какой скоростью бежит животное, приходилось вживлять электроды прямо в мозг.

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.

Депрессию иногда пробуют увидеть в электрических волнах мозга. Логика простая: если у болезни есть стадии — острая, поддерживающая, выздоровление, — то и сигналы должны меняться постепенно, как громкость при повороте ручки. Учёные взяли записи ЭЭГ у 74 человек: 24 — в острой фазе, 23 — в поддерживающей, 27 — здоровых.

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.

Кухонный нож и овощечистка по отдельности справляются с разными задачами, но когда повар учится новому рецепту, он часто хватается за один и тот же нож для всего. Похоже, так же поступает мозг, когда осваивает новый навык различения образов. В эксперименте обезьяны неделями тренировались различать едва заметные отличия в сложных узорах.

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.

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.

Обычная модель машинного обучения смотрит на один объект за раз: один мозг, один пациент, один двигатель. Но биологам нужно общее: как устроен мозг вида в целом, а не только конкретной рыбки. Новый метод — глубокий вероятностный синтез моделей (DPMS) — учится сразу на множестве экземпляров, как повар, который пробует десятки яблок, чтобы понять вкус сорта, а не одного плода.

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.

Чтобы разглядеть тусклую звезду над ярким ночным городом, астрономы применяют метод вычитания кадров: из одного снимка неба вычитают другой, убирая постоянное сияние фонарей и оставляя только переменные объекты.

Глаза следят за точкой, которая плавно рисует на экране сложную кривую. У большинства людей взгляд держится рядом с ней, но у некоторых — будто соскальзывает или запаздывает. Раньше такие особенности тонули в средних цифрах: если сложить всех и поделить, разница почти исчезает. Учёные решили смотреть не на среднее, а на каждого человека отдельно.

Представьте двух сообщников на допросе: каждый решает — предать или промолчать, не зная выбора другого. Этот мысленный эксперимент обнажает трещину в классической модели вероятности . Правило, знакомое по учебникам, даёт сбой — будто едешь на старом велосипеде по ухабистой дороге, и жёсткое сиденье выбивает из седла.

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.

Ночью в тёмной комнате человеческое тело едва заметно светится. Этот свет настолько слаб, что его ловят только очень чувствительные приборы. Некоторые учёные решили, что такое свечение от головы расскажет о работе мозга — без томографов и проводов. Но проверка показала другое. Когда свет от головы измерили в по-настоящему тёмных условиях, он оказался в разы слабее, чем в прежних опытах.

Мозг человека с болезнью Паркинсона работает как оркестр, в котором дирижёр то замирает, то размахивает палочкой невпопад. Лекарства помогают не всем, и тогда врачи предлагают стимуляцию — слабые электрические импульсы, которые возвращают ритм. Но у каждого мозг устроен по-своему: одному подходит один способ, другому — второй.

Речь похожа на оркестр, где каждая нота должна прозвучать в свой момент. Мозг превращает мысль в цепочку звуков за доли секунды, и до сих пор было неясно, как он управляет этой иерархией — от отдельных звуков к слогам и целым словам.

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.

Нейросеть, которая учится новому, похожа на путника в горной местности. Каждое усвоенное знание — это углубление в рельефе, куда путник скатывается и застревает. Чтобы выбраться и добраться до новой впадины, нужна энергия. Но по мере того как путник набирает опыт, стенки его ямы становятся всё круче, и каждый следующий подъём требует всё больше сил.

Держать в уме номер телефона, пока набираешь его, — рабочая память. В мозге за это отвечает группа клеток, которые посылают сигналы друг другу, как люди, передающие ведро по цепочке. Но у каждой передачи есть цена: нужны вещества-посредники, и они расходуются. Если их не пополнять, цепочка остановится и мысль пропадёт.

Нейрон, который только что успокоился, похож на пианиста, убравшего руки с клавиш. Но внутри него продолжается беззвучная работа: крошечные насосы выкачивают ионы хлора наружу, возвращая инструмент в состояние готовности. Если насосы не справляются, хлор накапливается — и тогда тормозной сигнал, призванный утихомирить клетку, вдруг начинает её возбуждать.

Рука лежит на столе, и на запястье приходят две короткие вибрации — одна за другой. Нужно сказать, какая сильнее. Задача вроде бы простая, но ответ зависит от того, какая вибрация была первой. Если первая слабая, а вторая сильная, разница кажется больше, чем когда их меняют местами. Это не каприз внимания, а работа постоянного механизма: мозг не ждёт полной информации, а строит догадку и поправляет её на ходу.

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.