В мозге открыт «репрезентационный дрейф», который нейробиологи не могут объяснить

Мозг обязан быть гибким – но не слишком. Он должен уметь перестраиваться при восприятии нового опыта, но также поддерживать воспроизводство старого. Когда вы смотрите на кактус, слышите какофонию или нюхаете какашку, возбуждаются определенные нейроны – эти паттерны возбуждения являются репрезентациями изображений, звуков и запахов в мозге, и они, по логике вещей, должны оставаться неизменными в любое время. Иначе суккулент вдруг покажется водорослью, шум зазвучит мелодией, а фекалоид заблагоухает розами. Экая чертовщина!

Грушевидная мышь. Иллюстрация: Spinnando/DeviantArt.

Вот почему Карл Шуновер и Эндрю Финк вместе с коллегами по Колумбийскому университету в Нью-Йорке (США) сильно озадачены результатами своих экспериментов на мышах. Они предлагали грызунам изо дня в день на протяжении недель нюхать одни и те же запахи и отслеживали активность нейронов в грушевидной (пириформной) коре обонятельного мозга, непосредственно связанной с распознаванием запахов. Каждый запах вызывал возбуждение своей отдельной группы нейронов, но, что удивительно, со временем состав этих групп менялся: одни нейроны переставали возбуждаться, другие начинали пыхтеть вместо них, при этом количество нейронов в той или иной возбужденной группе оставалось прежним. Месяц спустя все группы выглядели совершенно иначе: скажем, июньская репрезентация запаха яблок отличалась от майской не меньше, чем от репрезентации запаха травы в любой момент времени. Вероятность того, что какой-либо нейрон продолжит реагировать на специфический запах через месяц, составила около 7%. Смещение репрезентации происходило даже при ассоциации запаха с легким ударом тока!

Ученые разводят руками: в мышином мозге творится чертовщина. Это точно не погрешности методики: четыре года Шуновер и Финк разрабатывали особый способ имплантации электродов, чтобы они стабильно держались в мозге неделями, так что дело не в их смещении. Значит, смещаются действительно репрезентации. Но почему это происходит, что оно означает, как мозг с этим справляется – непонятно. Как вообще животное может держать связь с реальностью, если нейронные реакции на эту реальность постоянно дрейфуют? «В мозге должны быть какие-то механизмы, еще не открытые и даже невообразимые, которые позволяют ему быть начеку, – предполагает Шуновер. – Ученые должны знать, что происходит, однако в данном конкретном случае мы основательно запутались. Потребуется много лет, чтобы все распутать».

Это не первое исследование, в котором обнаружился репрезентационный дрейф (термин предложен в 2019 году). Намеки на это явление уже давно поступают из разных уголков мозга. Например, из гиппокампа, где расположены нейроны места, отвечающие за пространственную ориентацию и избирательно вспыхивающие в разных локациях: как оказалось, со временем «прописка» локаций в них может меняться. Или из задней теменной коры, участвующей в пространственном мышлении: ее паттерны возбуждения у мышей, бегущих по виртуальному Т-образному лабиринту, также дрейфовали, хотя натасканные мыши сворачивали всякий раз в одном и том же привычном направлении. Даже в зрительной коре выявлены признаки репрезентационного смещения – у мышей, которые в течение многих дней смотрели одни и те же видосики.

Ладно гиппокамп – он, в конце концов, участвует в консолидации памяти, и постоянный «дрейф» данных там вполне логичен. Но грушевидная и зрительная кора – это сенсорные центры, они должны быть стабильны: как иначе узнавать запахи и картинки? Зрительная кора организована как карта визуального поля: соседним областям изображения соответствуют соседствующие группы нейронов. Это, по идее, должно накладывать ограничения на репрезентационный дрейф (хотя это может быть справедливо только в отношении самых простеньких стимулов вроде линий и полосочек). Если дрейф происходит даже в сенсорных центрах, то он в принципе может охватывать большую часть мозга! «Есть подозрение, что это скорее правило, чем исключение, – говорит Шуновер. – Важно теперь найти места, где дрейфа не происходит». А там, где он идет, актуальны «три Б», добавляет Финк: «Насколько он быстр? Насколько безграничен? И насколько, §&%#ь, опасен?!»

Насколько опасен дрейфующий мозг?

Чтобы адекватно воспринимать мир, мозг может делать поправку на дрейф, постепенно обновляя свое понимание нейронной активности, происходящей в причинных зонах. Либо вспыхивающие нейроны характеризуются каким-то особым качеством, которое отличается постоянством, несмотря на смену самих нейронов в репрезентациях. «Индивиды в популяции могут менять свое личное мнение, тем не менее поддерживая общий консенсус, – предлагает аналогию кембриджский нейробиолог Тимоти О’Лири, один из авторов термина «репрезентационный дрейф». – Число способов представления одного и того же сигнала в большой популяции также велико, поэтому есть пространство для подвижек нейронного кода». Некоторые исследователи вроде бы даже находили признаки этих стабильных паттернов высокого уровня в других «дрейфующих» зонах мозга, однако в грушевидной коре Шуновер и Финк ничего такого не обнаружили.

Не исключено, что репрезентационный дрейф – это просто досадная ошибка нервной системы. «Связи в мозге постоянно формируются и разрушаются, и сами нейроны постоянно перерабатывают клеточный материал», – говорит О’Лири, но тут же указывает на малую вероятность такого объяснения: все-таки нервная система в состоянии поддерживать точные и целевые связи – между мышцами и контролирующими их нервами, например.

Может быть, наоборот, дрейф приносит пользу? Играясь со способами упаковки информации, нервная система получает возможность упаковать больше. Неиспользуемая информация устраняется, а полезная – обновляется через дрейф. Шуноверу эта идея импонирует: «Наша любимая интерпретация заключается в том, что дрейф – это проявление обучения. Не само обучение, а этакий дымок от пистолета познания».

Открытие дрейфа репрезентаций Шуновер и Финк сравнивают с открытием странного вращения галактик Верой Рубин и Кентом Фордом в 1970-х – это было первое свидетельство существования темной материи, которая составляет значительную часть массы Вселенной, хотя ее невозможно узреть напрямую, как кактус или какашку. Репрезентационный дрейф тоже указывает на скрытые процессы в мозге, о которых науке пока не известно. Вот только Рубин и Форд могли сопоставить свои необычные данные с ньютоновской механикой – надежной и тщательно проработанной физической теорией. А в нейробиологии никакой подобной теории нет. Есть понимание, как работают отдельные нейроны, но на уровне нейросетей, мозгов и поведения все очень неясно и загадочно, сплошная какофония. «Сфера концептуально незрелая, – признает Финк. – Мы все еще находимся на этапе сбора фактиков – не в том положении, чтобы что-то исключать». Научные представления о мозге пока дрейфуют в неизвестном направлении.


Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: Nature (Schoonover et al., 2021)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент с активной ссылкой на эту статью. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Способна ли нейробиология понять Донки Конга?
Предопределенность зрения и пластичность мозга
Много нейронов из ничего: как неудачный эксперимент привел к научному прорыву

Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение