Мозг: биография. Извилистый путь к пониманию того, как работает наш разум, где хранится память и формируются мысли

Как объяснила Баргманн, широко распространенное предположение – а может, догма или просто надежда, – лежащее в основе работы над коннектомами, состоит в том, что описание карты электрических связей конкретного организма или одной части его мозга позволит по-новому взглянуть на то, как активность нейронных цепей рождает поведение и ощущения. Эта неявная гипотеза существовала с самого начала – в лаборатории Бреннера 302 реконструкции каждого из нейронов червя были помещены в серию портативных компьютеров, которые шутливо пометили как «разум червя» [46]. Вот только это не было шуткой.

Некоторые исследователи полагают, что коннектомы дали нейронауке великую объяснительную теорию, которой так не хватало. В 2016 году Ларри Свенсон и Джефф Лихтман заявили, что создание «биологически обоснованной, динамической или функциональной модели карты электрических связей нервной системы» само по себе заложит «мощную концептуальную основу, аналогичную периодической таблице элементов для химии, модели двойной спирали ДНК для молекулярной биологии или модели кровеносной системы Гарвея[245] для физиологии» [47]. Это был бы чрезвычайно важный шаг, но работа исследователей над простыми нервными системами предполагает, что коннектомика, хотя и обеспечивает существенную анатомическую базу для понимания мозга, не сможет объяснить происходящее, если не будет сопровождаться как экспериментами, так и моделированием [48].

Если вы будете просто наблюдать за синаптической щелью между двумя нейронами, вы не узнаете, что происходит там – возбуждение или торможение.

Даже в простой цепи каждый нейрон связан со многими другими нейронами как химическими синапсами, так и щелевидными контактами (нексусами), которые непосредственно соединяют две клетки и пропускают электрические сигналы (по этой причине их также называют электрическими синапсами; они были впервые обнаружены как анатомические структуры в 1950-х годах, а их функция продемонстрирована в 1960-х годах) [49]. Кроме того, нейрон может выделять в синапс несколько различных типов нейромедиаторов.

Просто наблюдая за синаптической щелью между двумя нейронами, вы не узнаете, что происходит там – возбуждение или торможение – и сколько нейромедиаторов задействовано.

Из-за такого рода факторов даже очень простые системы могут быть невероятно сложны. Например, в стенке тела личинки есть клетки, которые реагируют, когда она растягивается, движется, образуя часть цепи, которая контролирует движение. Каждый из таких нейронов имеет восемнадцать входных и пятьдесят три выходных синапсов. Большинство, если не все, из этих синапсов может включать более одного нейромедиатора [50]. И все лишь для того, чтобы сообщить двигательным цепочкам мышц личинки – даже не ее мозгу, – что ее кожа растянулась. Исследователи недавно описали один тормозящий нейрон в области, называемой зрительным бугром мыши – он имеет 862 входных и 626 выходных синапсов [51]. Что именно делает клетка, неясно, кроме того, что она участвует во многих различных функциях. Сложность нервной системы – любой нервной системы – поразительна. Те же проблемы можно обнаружить даже в самых простых частях нашего мозга. В 2018 году Софи Скотт, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона, которая интересуется тем, как в мозге обрабатываются звуки, в частности как звуки с аналогичной частотой представлены в соседних структурах (это называется тонотопией), в отчаянии опубликовала в «Твиттере» фотографию высокоуровневой электрической карты «зачатка» слуховой системы человека.

Исходный пункт для изучения коннектомов – обновленная версия нейронной доктрины Кахаля: нейроны являются отдельными единицами, которые демонстрируют однонаправленную передачу сигналов. Но ученые все охотнее признают, что этот процесс намного сложнее. Нервная система содержит звездообразные глиальные клетки, называемые астроцитами, или астроглиями, которые обвиваются вокруг синапсов. Эти клетки помогают поддерживать жизнь нейронов, но за последние два десятилетия стало ясно, что астроциты способны изменять активность нейронов, выпуская кальций или нейромедиаторы и изменяя активность мозга у мыши [52]. Значительная роль функционирования астроцитов в естественных ситуациях все еще остается предметом ожесточенных споров. Но недавние результаты свидетельствуют о том, что, у рыбки данио-рерио, по крайней мере, данные клетки выполняют вычислительную функцию. Астроциты регулируют работу нейронов путем накопления сенсорной информации и сигнализируют о неэффективности конкретного действия, а за счет изменения активности нейронов снижают вероятность воспроизведения этого действия в будущем [53]. Функции нервной системы, несомненно, более сложны, чем думал Кахаль [54].