Инженерный анализ мозга

К середине столетия мы, вероятно, сможем достигнуть очередного важного рубежа в истории ИИ: провести «инженерный анализ», т.е. проанализировать структуру человеческого мозга и создать его полноценную модель. Ученые, разочарованные неудачами в создании «настоящего» робота из кремния и стали, пробуют противоположный подход: «разбирают» мозг, нейрон за нейроном, — точно так же, как механик мог бы разбирать двигатель автомобиля, винтик за винтиком, — а затем начинают имитировать работу этих нейронов на громадном компьютере. Эти ученые пытаются моделировать работу нейронов у животных, начиная с мышей и кошек и постепенно поднимаясь вверх по эволюционной лестнице. У них вполне определенная цель и задача, которую, вероятно, можно будет решить к середине века.

Фред Хэпгуд (Fred Hapgood) из МТИ пишет: «Если мы выясним, как работает мозг — как в точности он работает, на том же уровне, как мы понимаем работу мотора, — почти все учебники придется переписать».

Первым шагом в инженерном анализе, или «реверсивном проектировании», мозга должно было стать понимание его общей структуры. Но даже решение этой простой задачи представляло собой долгий болезненный процесс. Если рассматривать исторически, то отдельные части мозга врачи и ученые обнаруживали во время вскрытий, не имея при этом никакого представления о выполняемых ими функциях. Ситуация начала постепенно меняться, когда ученые стали исследовать людей с травмами мозга и обнаружили, что повреждение различных участков мозга соответствовало различным изменениям в поведении. Жертвы инсульта и люди, перенесшие травму или заболевание мозга, демонстрировали вполне конкретные изменения в поведении, которые затем можно было соотнести с повреждением конкретных частей мозга.

Самый наглядный случай такого рода произошел в 1848 г. в Вермонте, когда металлический стержень длиной более метра пробил насквозь череп железнодорожного десятника по имени Финеас Гейдж (Phineas Gage). Причиной этой исторической травмы стал случайный взрыв динамита. Стержень вошел десятнику в нижнюю часть лица сбоку, раздробил челюсть, прошел сквозь мозг и вышел через макушку. Как ни удивительно, человек выжил после страшной травмы, хотя одна или обе лобные доли его мозга были разрушены. Врач, лечивший Гейджа, поначалу не мог поверить, что человек может вынести такое и остаться в живых. Несколько недель раненый провел в полубессознательном состоянии, но затем чудесным образом оправился. После того несчастного случая он прожил еще двенадцать лет — ездил по стране, работал время от времени — и умер в 1860 г. Врачи сохранили его череп и стержень, которым была нанесена травма, и за прошедшие годы то и другое не один раз подвергалось тщательнейшему изучению. Современные технологии, в частности использование компьютерной томографии, позволили восстановить все детали этого необычайного случая.

Надо сказать, что это событие навсегда изменило представления ученых о проблеме взаимоотношений сознания и тела. Ранее считалось, даже в научных кругах, что душа и тело — это две совершенно независимые сущности. Ученые со знанием дела писали о некоей «жизненной силе», которая одушевляет тело и никак не зависит от мозга. Но отчеты об этом происшествии, которые разошлись очень широко, ясно указывали на то, что личность Гейджа после того несчастного случая заметно изменилась. Говорилось, что симпатичный, общительный и работящий человек после травмы превратился в раздражительного грубияна. После этого случая ученым стало окончательно ясно, что различные участки мозга отвечают за различные аспекты поведения, а потому тело и душа неразделимы.

Следующий прорыв в деле изучения мозга произошел в 1930-е гг., когда неврологи и нейрохирурги, в частности Уайлдер Пенфилд (Wilder Penfield), заметили, что электрическое воздействие на различные участки мозга вызывает стимуляцию определенных частей тела пациента; эксперименты проводились во время операций на открытом мозге пациентов, страдающих эпилепсией. Прикосновение электрода к той или иной части коры головного мозга могло вызвать движение руки или ноги пациента. Опираясь на опыт множества операций, Пенфилд составил примерную схему коры головного мозга, где указал, какие ее части контролируют какие части тела. Теперь каждый может нарисовать человеческий мозг и подписать на картинке, где находятся центры управления различными органами. Эта схема напоминает «гомункулуса» — человечка, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены; поэтому у него громадные пальцы на руках, губы и язык, но крохотное тельце.

Еще позже магнитно-резонансные методы исследования позволили получить весьма информативные изображения функционирующего мозга, но даже эти методы не в состоянии отследить конкретные нейронные пути мысли, в прохождении которой задействуется, может быть, всего несколько тысяч нейронов. Но уже совсем недавно появилась новая область науки — оптогенетика, соединившая в себе возможности оптики и генетики и позволившая все же проследить конкретные нейронные пути у животных. Можно привести по этому поводу следующую аналогию. Представьте, что вы хотите составить карту дорог. В этом случае результаты магнитно-резонансных исследований можно сравнить с прибором, способным увидеть автомагистрали и крупные транспортные потоки на них. Оптогенетика, возможно, сможет различить отдельные местные дороги и даже тропинки. Не исключено даже, что она даст ученым возможность управлять поведением животных путем стимулирования конкретных нейронных маршрутов.

Эти исследования стали причиной нескольких громких журналистских сенсаций. Так, крупный новостной сайт DrudgeReport поместил у себя кричащий заголовок: «Ученые создают дистанционно управляемых мух!» Средства массовой информации породили в общественном сознании образ таких мух, способных выполнить за Пентагон всю грязную работу. В телешоу Tonight Show Джей Лено (Jay Leno) говорил даже об управляемой мухе, которая могла бы по команде залететь в рот президенту Джорджу Бушу-младшему. Конечно, шутники вдоволь повеселились, представляя, как Пентагон одним нажатием кнопки отправляет на задание целые тучи всевозможных насекомых, но на самом деле пока все обстоит гораздо скромнее.

Мозг плодовой мушки-дрозофилы насчитывает примерно 150 000 нейронов. Оптогенетические методы позволяют ученым вызвать свечение определенных нейронов мозга дрозофилы — тех, что соответствуют определенным поведенческим шаблонам. Выяснилось, к примеру, что активация двух конкретных нейронов дает мухе сигнал улетать как можно скорее. Муха автоматически выпрямляет ножки, расправляет крылышки и взлетает. Методами генной инженерии ученые сумели получить породу дрозофил, у которых пара «тревожных» нейронов срабатывает всякий раз при включении лазера. Стоит направить на этих мух лазерный луч, как они тут же поднимаются в воздух.

Определение структуры мозга — задача огромной важности. В результате мы сможем не только потихоньку стимулировать части конкретных нейронных путей, поощряя тем самым определенные поведенческие шаблоны, но и использовать эту информацию в помощь жертвам инсультов и пациентам с заболеваниями или травмами мозга.

Геро Мизенбёк (Gero Miesenbock) из Оксфордского университета и его коллеги научились идентифицировать таким образом нейронные механизмы животных. Они могут исследовать не только тревожный рефлекс дрозофил, но и, скажем, рефлексы, задействованные в восприятии запахов. Они изучали, к примеру, пути, управляющие поиском пищи у круглых червей, изучали нейроны, участвующие в принятии решений у мышей.

Они выяснили, в частности, что если фруктовой мушке для запуска механизма рефлекторного поведения достаточно активации всего двух нейронов, то у мыши при принятии решения задействуется уже почти 300 нейронов.

Основной инструмент оптогенетиков — гены, контролирующие производство определенных красителей и светочувствительных молекул. К примеру, у медуз имеется ген, отвечающий за производство зеленого флуоресцентного белка. Кроме того, известен целый ряд молекул, таких как родопсин, которые при воздействии света начинают пропускать ионы через клеточные мембраны. Таким образом, воздействие света на эти организмы может запускать определенные химические реакции. Вооружившись красителями и светочувствительными веществами, ученые впервые смогли выделить нейронные контуры, отвечающие за определенные схемы поведения.

Так что пусть юмористы пока смеются над учеными, которые будто бы пытаются создать мух-франкенштейнов и управлять их поведением посредством нажатия кнопки. Реальность одновременно и скромнее, и интереснее: ученым впервые в истории удалось выделить в мозгу нервные пути, отвечающие за конкретное поведение.