Текст книги "Будущее разума"

Автор книги: Митио Каку

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 35 страниц) [доступный отрывок для чтения: 13 страниц]

Записываем воспоминание

К сожалению, пациент H.M. умер в 2008 г. в возрасте 82 лет и не дожил до некоторых сенсационных результатов, которые могли бы оказаться ему полезны. Речь идет о возможности создания искусственного гиппокампа и записи в мозг воспоминаний с его помощью. Это кажется фантастикой, но ученые из Университета Уэйк Форест и Южно-Калифорнийского университета в 2011 г. вошли в историю, сумев записать воспоминание мыши и сохранить его в цифровом виде в компьютере. Этот эксперимент призван был доказать принципиальную возможность такого действия и наглядно показать, что мечта о записи в мозг искусственных воспоминаний когда-нибудь может стать реальностью.

На первый взгляд сама идея загрузки готовых воспоминаний в память кажется нереальной: ведь мы видели, что воспоминания формируются путем обработки целого набора сенсорных переживаний, которые закладываются на хранение в разные места в неокортексе и лимбической системе. Но из случая с H. M. нам известно, что существует орган, через который проходят все воспоминания и в котором они превращаются в долговременные: это гиппокамп. Руководитель группы доктор Теодор Бергер из Южно-Калифорнийского университета говорит: «Если вы не сможете сделать это в гиппокампе, то не сможете нигде».

Ученые начали с наблюдения, сделанного по результатам сканирования мозга мыши и основанного на том, что в гиппокампе существует по крайней мере два набора нейронов. Известно, что эти наборы, получившие название CA1 и CA3, связываются друг с другом всякий раз, когда выполнено новое задание и освоено новое умение. После обучения мыши тому, что для получения воды нужно нажать последовательно два рычага, ученые проанализировали полученные данные и попытались расшифровать послания, которыми обменивались нейроны. Поначалу ничего не получилось, поскольку сигналы между двумя типами нейронов, казалось, не содержали никаких закономерностей. Однако, записав и проанализировав эти сигналы несколько миллионов раз, ученые в конце концов сумели определить, какой ответ дает тот или иной входной сигнал. При помощи зондов, введенных в гиппокамп мышей, ученые смогли записать сигналы, которыми обменивались CA1 и CA3, когда мышь училась нажимать рычаги один за другим.

Затем ученые ввели мышам особый препарат, который заставил их забыть обретенное умение. После этого записанное воспоминание было введено обратно его владелице – в мозг мыши направили те самые электрические сигналы, которые были из него получены. Примечательно, что память об обретенном умении при этом вернулась, и мышь смогла успешно пройти испытание. По существу, ученые создали искусственный гиппокамп, способный продублировать цифровую память. «Включаем прибор – мышь помнит; выключаем – не помнит, – рассказывает доктор Бергер. – Это очень важный шаг, потому что нам впервые удалось собрать все фрагменты воедино».

Как сказал Джоэль Дэвис из Главного штаба ВМС США, спонсировавшего исследования: «Дальше речь должна идти об использовании внедряемых воспоминаний для повышения квалификации. Это дело времени».

Ставки очень высоки, поэтому неудивительно, что эта область исследований развивается рекордными темпами. В 2013 г. произошел еще один прорыв, на этот раз в МТИ; там ученые сумели имплантировать в мозг мыши не просто воспоминания, а ложные воспоминания. Это означает, что когда-нибудь в мозг можно будет имплантировать воспоминания о событиях, которых никогда не происходило; трудно представить, какой эффект это достижение произведет в области образования и индустрии развлечений.

Ученые из МТИ использовали технологию, известную как оптогенетика (о ней мы поговорим подробнее в главе 8); эта технология позволяет активировать светом отдельные нейроны. Пользуясь этим методом, ученые могут распознать нейроны, отвечающие за конкретные воспоминания.

Предположим, что мышь входит в комнату и получает удар током. При исследовании гиппокампа можно выделить нейроны, ответственные за воспоминание об этом неприятном событии, и записать их сигналы. Затем мышь помещают в другую комнату, где нет никакой опасности. Но можно включить световую точку на оптоволокне и, воспользовавшись оптогенетикой, активировать воспоминание об ударе током. При этом мышь демонстрирует реакцию страха, хотя вторая комната совершенно безопасна.

Таким образом ученые МТИ смогли имплантировать мыши не только обычные воспоминания, но и воспоминания о событиях, которых не было. Не исключено, что когда-нибудь эта технология позволит имплантировать работникам воспоминания о новых навыках (вместо того чтобы переобучать их дедовскими способами) или обогатит Голливуд совершенно новым видом развлечения.

Искусственный гиппокамп

В настоящее время искусственный гиппокамп примитивен и способен записывать воспоминания только по одному, последовательно. Но ученые планируют повысить сложность искусственного гиппокампа, чтобы он мог хранить различные воспоминания и записывать воспоминания разных животных; предполагается постепенно дойти и до обезьян. Они также планируют сделать эту технологию беспроводной, заменив провода крохотными радиопередатчиками, чтобы воспоминания можно было загружать в мозг дистанционно, не имплантируя в него электроды.

Поскольку у людей гиппокамп тоже участвует в обработке воспоминаний, ученые видят в будущем широкое применение этой технологии для лечения инсультов, слабоумия, болезни Альцгеймера и множества других проблем, возникающих при повреждении или истощении этой области мозга.

Разумеется, прежде нужно преодолеть множество препятствий. Несмотря на все, что мы узнали о гиппокампе со времен случая с H. M., эта зона мозга до сих пор остается для нас чем-то вроде черного ящика: его внутреннее устройство и принципы работы по большей части неизвестны. В результате невозможно создать воспоминание с нуля, но, если задание выполнено и воспоминание обработано, можно записать его и проиграть вновь.

Перспективные направления

Работа с гиппокампом приматов и тем более человека будет более трудоемкой, потому что гиппокамп у них намного больше и сложнее, чем у мышей. Первым шагом должно стать создание подробной нейронной карты гиппокампа. Это означает, что нужно помещать электроды в различные участки гиппокампа и записывать сигналы, которыми его части постоянно обмениваются между собой. Таким образом можно будет определить, какими путями движутся в гиппокампе потоки информации. В гиппокампе четыре основных отдела (CA1, СА2, СА3 и CA4), и ученым нужно будет записать сигналы, которыми они обмениваются.

На втором этапе исследований испытуемый будет выполнять определенные задания, а ученые – записывать импульсы, которые проходят по различным областям гиппокампа, т. е. фактически записывать воспоминания. К примеру, освоение определенного навыка (такого, скажем, как умение прыгать через скакалку) породит в гиппокампе электрическую активность, которую можно записать и тщательно проанализировать. Затем можно создать словарь, сопоставив каждое воспоминание с потоком информации, проходящей через гиппокамп.

Наконец, третий этап предусматривает запись воспоминания и подачу по электродам соответствующего сигнала в гиппокамп другого испытуемого, чтобы проверить, можно ли загрузить воспоминание. Таким образом испытуемый, возможно, научится прыгать через скакалку, хотя никогда раньше этого не делал. Если все получится, ученые постепенно создадут библиотеку, содержащую записи конкретных воспоминаний.

Возможно, пройдет не один десяток лет, прежде чем начнется работа с человеческой памятью, но можно примерно представить, как это будет выглядеть. В будущем людей, вероятно, будут нанимать для создания определенных воспоминаний, таких как шикарный отдых или фантастическое сражение. В различные области мозга таких людей будут вживлять наноэлектроды для записи воспоминаний. Эти электроды должны быть чрезвычайно маленькими и не мешать формированию воспоминаний.

Информация с электродов по беспроводной связи будет поступать в компьютер и соответствующим образом обрабатываться. Позже человеку, пожелавшему испытать эти воспоминания, введут в гиппокамп аналогичные электроды и с их помощью передадут воспоминание в мозг.

(Конечно, здесь есть сложности и свои подводные камни. Если попытаться внедрить в мозг воспоминание о каком-то физическом занятии, скажем, о боевом искусстве, то возникнет проблема «мышечной памяти». Ведь когда мы, к примеру, ходим, то не обдумываем осознанно каждое движение и каждый шаг. Ходьба стала нашей второй натурой, потому что ходим мы очень часто и начинаем ходить в очень раннем возрасте. Это означает, что сигналы, управляющие движениями ног, возникают не только в гиппокампе, но и в двигательной коре, мозжечке и подкорковых узлах. В будущем, если нам захочется научиться вживлять себе память о занятиях спортом, ученым придется выяснить, как так получается, что некоторые воспоминания частично хранятся и в других областях мозга.)

Зрение и память

Формирование воспоминаний – сложный процесс, но предлагаемый подход имеет то преимущество, что дает возможность срезать часть пути, подслушав сигналы в гиппокампе, куда сенсорные импульсы попадают уже обработанными. В «Матрице», однако, электрод, как вы помните, располагался возле основания черепа, и воспоминания загружались непосредственно в мозг. При этом предполагалось, что можно расшифровать «сырые», необработанные импульсы, поступающие от глаз, ушей, кожи и т. п. и проходящие через ствол спинного мозга в таламус. Это гораздо сложнее, чем анализировать уже обработанные послания, циркулирующие в гиппокампе.

Чтобы дать вам некоторое представление об объеме необработанной информации, поступающей в таламус из спинного мозга, рассмотрим всего лишь один аспект: зрение, поскольку многие воспоминания имеют зрительный характер. Сетчатка глаза содержит примерно 130 млн фоторецепторов, известных как колбочки и палочки; в любое время они обрабатывают и записывают 100 млн бит информации об окружающем мире.

Этот громадный объем данных собирается воедино и пересылается в таламус по зрительному нерву, обладающему пропускной способностью 180 Мбит/с. Оттуда информация уходит в затылочную долю мозга, т. е. в самую заднюю его часть. Расположенная там зрительная кора, в свою очередь, начинает напряженный процесс обработки этой горы информации. Зрительная кора состоит из нескольких кусочков в задней части мозга, и каждый кусочек настроен на выполнение конкретного задания. Эти кусочки обозначают как V1 – V8.

Замечательно, что область, обозначаемая V1, работает как зеркало; она создает на заднике мозга рисунок, очень похожий по очертаниям и форме на оригинальное изображение. Этот образ поразительно похож на оригинал, за исключением того, что самый центр глаза, центральная ямка, занимает в V1 намного большую площадь, чем на сетчатке (это понятно, ведь именно в центральной ямке плотность нейронов максимальна). Поэтому образ в V1 – не точная копия видимого, а искаженная, и большую часть площади занимает его центральная часть.

Остальные (помимо V1) области затылочной доли обрабатывают различные аспекты изображения, в том числе:

• стереозрение – эти нейроны сравнивают образы, поступающие с разных глаз (V2);

• расстояние – эти нейроны определяют расстояние до объекта, ориентируясь на размеры теней и другую информацию от обоих глаз (V3);

• цвет – обрабатывается в области V4;

• движение. Разные контуры подхватывают разные типы движения, включая прямолинейное, спиральное и расширяющееся. Это происходит в области V5.

Ученые определили более 30 различных нейронных контуров, связанных со зрением, но на самом деле их, вероятно, гораздо больше.

Из затылочной доли информация пересылается в префронтальную кору, где человек наконец «видит» изображение и где формируется кратковременная память. Затем информация отправляется в гиппокамп, где обрабатывается и укладывается на хранение на срок до 24 часов. Затем воспоминание делится на кусочки и распределяется по разным участкам коры.

Речь идет о том, что зрение, которое, как нам кажется, совершенно не требует усилий, на самом деле требует последовательного срабатывания миллиардов нейронов и передачи миллионов бит информации в секунду. А теперь вспомните, что мы получаем сигналы от пяти органов чувств плюс эмоции, связанные с каждым образом. Вся эта информация обрабатывается в гиппокампе, где формируется простое воспоминание. В настоящее время ни одна машина не в состоянии воспроизвести этот сложнейший процесс, так что его копирование – серьезный вызов ученым, которые хотят создать искусственный гиппокамп человеческого мозга.

Вспоминая будущее

Если зашифровка воспоминания[11]11
  Это поднимает вопрос о том, есть ли у почтовых голубей, перелетных птиц, китов и т. п. долговременная память, ведь они в поисках пищи или на пути к местам гнездовий преодолевают сотни и тысячи километров. Наука мало что знает об этом. Считается, однако, что их долговременная память основана на поиске в пути определенных ориентиров, а не на подробных воспоминаниях. Иными словами, они не используют память о прошлых событиях для моделирования будущего. Их долговременная память представляет собой всего лишь серию маркеров. Очевидно, только человек при моделировании будущего пользуется воспоминаниями. – Прим. авт.


[Закрыть] всего лишь об одном каком-то чувственном впечатлении столь сложный процесс, то как человек получил способность хранить огромные объемы информации в долговременной памяти? Поведением животных в основном управляет инстинкт, и у них, похоже, почти нет долговременной памяти. Но, как отмечает нейробиолог из Калифорнийского университета в Ирвине доктор Джеймс Макгауф, «задача памяти – предсказывать будущее». В связи с этим возникает интересный парадокс. Может быть, долговременная память появилась в процессе эволюции именно потому, что оказалась нужна для моделирования будущего. Иными словами, способностью помнить отдаленное прошлое мы обязаны требованиям и преимуществам моделирования будущего.

В самом деле, снимки мозга, полученные в Университете Вашингтона в Сент-Луисе, указывают на то, что для восстановления воспоминаний используются те же области мозга, что и для моделирования будущего. В частности, связь между дорсолатеральной префронтальной корой и гиппокампом вспыхивает, когда человек строит планы на будущее и когда вспоминает прошлое. В определенном смысле мозг при этом пытается «вспомнить будущее», опираясь на знания о прошлом и пытаясь определить, как некий объект будет развиваться в будущем. Этим, кстати говоря, может объясняться тот занятный факт, что люди, страдающие амнезией (как H.M.), часто не в состоянии представить, что они будут делать в будущем или даже на следующий день.

«Можно смотреть на это, как на мысленное путешествие во времени – способность спроектировать мысли о себе в прошлое или в будущее», – говорит доктор Кэтлин Макдермотт из Университета Вашингтона. Она отмечает также, что их исследование доказывает «неясный прежде ответ на давний вопрос об эволюционной полезности памяти. Может оказаться, что единственная причина, по которой мы можем вспоминать прошлое в подробностях, состоит в том, что без этого набора процессов нам было бы трудно видеть себя в различных сценариях будущего. Способность представить будущее имеет явно адаптивное значение». Для животного прошлое – это в значительной мере разбазаривание ценных ресурсов, поскольку оно почти не дает животному эволюционного преимущества. Так что моделирование будущего с учетом уроков прошлого – одна из существенных причин, по которым человечество обрело разум.

Искусственная кора мозга

В 2012 г. те же ученые из Баптистского медицинского центра в Уэйк Форест и Южно-Калифорнийского университета, которым удалось создать искусственный гиппокамп мыши, рассказали о еще одном перспективном эксперименте. Вместо того чтобы записывать воспоминание в гиппокампе мыши, они продублировали гораздо более сложный процесс мышления, протекающий в коре головного мозга примата.

Они взяли пять макак-резусов и внедрили им крохотные электроды в два слоя (L2/3 и L5) коры головного мозга. Затем записали нервные сигналы, которыми обменивались эти два слоя, когда обезьяны осваивали какой-нибудь навык. (В этом задании обезьянам предлагалось посмотреть на некий набор картинок, а затем выбрать их из гораздо большего набора; в случае успеха обезьяна получала награду.) Со временем обезьяны научились выполнять это задание с точностью до 75 %. Но если ученые во время выполнения задания подавали этот же сигнал в кору мозга обезьяны, ее производительность повышалась на 10 %. Если обезьяне давали определенные химические вещества, ее производительность, напротив, падала на 20 %. Но если при этом запись подавали в кору, то производительность обезьяны была выше нормальной. Хотя группа подопытных была небольшой, да и производительность возрастала не сильно, эти результаты все же позволяют предположить, что сделанная учеными запись достаточно точно отражает процесс принятия решений в коре головного мозга обезьяны.

Поскольку это исследование проводилось на приматах, а не на мышах, и относилось к коре, а не к гиппокампу, оно может сыграть свою роль, когда начнутся испытания на людях. Доктор Сэм Дедуайлер из Уэйк Форест говорит: «Идея состоит в том, что устройство сможет генерировать выходной сигнал в обход поврежденной области, обеспечивая альтернативное соединение» в мозге. Этот эксперимент может оказаться полезным для пациентов, чей неокортекс поврежден. Устройство может сыграть роль костыля, выполняя мыслительные операции в поврежденной зоне.

Искусственный мозжечок

Следует отметить, что искусственные гиппокамп и неокортекс – всего лишь первые шаги. Со временем и у других частей мозга появятся искусственные эквиваленты. К примеру, ученые из Тель-Авивского университета (Израиль) уже создали искусственный мозжечок крысы. Мозжечок – важная часть рептильного мозга, отвечающая за чувство равновесия и другие базовые телесные функции.

Известно, что, если направить в морду крысе поток воздуха, она мигнет. Если одновременно с этим издавать какой-нибудь звук, то можно приучить крысу мигать по звуковому сигналу. Целью израильских ученых было создать искусственный мозжечок, который тоже мог бы выполнять эту функцию.

Для начала они записали сигналы, поступающие в мозговой ствол при дуновении и одновременном громком звуке. Затем этот сигнал обработали и послали обратно в мозговой ствол, но в другое место. Как и ожидалось, получая этот сигнал, крысы мигали. И мало того, что искусственный мозжечок впервые корректно функционировал; впервые сигналы были приняты в одной части мозга, обработаны, а затем загружены в другую его часть.

Комментируя эту работу, Франческо Сепульведа из Эссексского университета заметил: «Это показывает, как далеко нам удалось продвинуться в направлении создания схем, которые смогут когда-нибудь заменить собой поврежденные участки мозга и даже улучшить деятельность здорового мозга».

Кроме того, он видит в будущем огромные потенциальные возможности для искусственного мозга: «Скорее всего, нам потребуется несколько десятков лет, чтобы этого добиться, но я готов биться об заклад, что синтетические заменители конкретных, хорошо организованных частей мозга, таких как гиппокамп или зрительная кора, появятся еще до конца столетия».

Хотя работы по созданию искусственных заменителей мозга продвигаются быстро, особенно учитывая сложность процессов, выиграть в этой гонке со временем невозможно, ведь каждый день снижаются умственные способности тысяч людей, ставших жертвами болезни Альцгеймера.

Болезнь Альцгеймера – разрушитель памяти

Существует мнение, что основным заболеванием XXI в. будут считать болезнь Альцгеймера. В настоящее время ею болеют 5,3 млн американцев, и ожидается, что к 2050 г. их станет вчетверо больше. Болезнью Альцгеймера страдает 5 % людей в возрасте от 65 до 74 лет, но если человеку за 85, вероятность того, что у него возникнет болезнь Альцгеймера, увеличивается до 50 %, даже если у него нет и не было очевидных факторов риска. (В начале XX в. ожидаемая продолжительность жизни в США составляла 49 лет, так что болезнь Альцгеймера не представляла серьезной проблемы. Но сегодня люди старше восьмидесяти составляют одну из наиболее быстро растущих демографических групп в стране.)

На начальных стадиях этой болезни гиппокамп – часть мозга, занятая обработкой воспоминаний, – начинает деградировать. Действительно, на снимках мозга ясно видно, что у пациентов с Альцгеймером гиппокамп съеживается, а нервные волокна, связывающие его с префронтальной корой, истончаются; в результате мозг уже не может надлежащим образом обрабатывать кратковременные воспоминания. Долговременные воспоминания, уже уложенные на хранение в разные отделы коры, остаются практически неповрежденными, по крайней мере сначала. Возникает ситуация, когда человек не может вспомнить, чем занимался несколько минут назад, но ясно помнит события, происходившие за несколько десятилетий до этого.

Постепенно болезнь прогрессирует, и в конце концов наступает момент, когда разрушаются даже базовые долговременные воспоминания. Человек перестает узнавать детей, супруга, забывает, кто он такой, и может даже впасть в похожее на кому растительное состояние.

Как ни печально, основные механизмы болезни Альцгеймера ученые начали понимать лишь недавно. Серьезный шаг к этому был сделан в 2012 г., когда выяснилось, что болезнь начинается с производства тау-белков, что, в свою очередь, ускоряет формирование бета-амилоида – вязкой клейкой субстанции, постепенно забивающей мозг. (Прежде было неясно, действительно ли болезнь Альцгеймера вызывается этими бляшками или, может быть, бляшки представляют собой побочный продукт более фундаментального расстройства.)

На эти амилоидные бляшки очень трудно воздействовать лекарствами, потому что они, скорее всего, состоят из прионов – деформированных молекул белка. Это не бактерии и не вирусы, однако они способны воспроизводить себя. Если рассмотреть молекулу белка детально на уровне атомов, то окажется, что она напоминает плотную путаницу лент. Чтобы белок обладал необходимыми свойствами и выполнял нужные функции, этот клубок атомов должен быть, помимо всего прочего, правильно свернут. Но прионы – это деформированные молекулы белка, сложившиеся неправильно. Сталкиваясь со здоровыми белками, они заставляют их менять форму, т. е. тоже превращаться в прионы. Один прион может вызвать целую лавину деформированных белков и запустить цепную реакцию, которая заразит миллиарды молекул.

В настоящее время не существует известного способа остановить развитие болезни Альцгеймера. Однако теперь, когда базовые механизмы ее проясняются, вырисовывается по крайней мере один перспективный метод: создать антитела или вакцину, которые могли бы прицельно воздействовать на деформированные белковые молекулы. Еще один способ – создать для больных искусственный гиппокамп, который восстанавливал бы им кратковременную память.

Еще один подход – определить, нельзя ли непосредственно (генетически) повысить способность мозга к формированию воспоминаний. Возможно, существуют гены, способные улучшать память. Не исключено, что будущее исследований памяти олицетворяет «умная мышь».