Объявление

Свернуть
Пока нет объявлений.

Интервью с Юрием Бужаки

Свернуть
X
Свернуть

  • Мозг – это гиперсложный пространственно-временной транслятор или парижский разговор с Юрием Бужаки

    Опубликовано в сокращенном варианте в журнале "В МИРЕ НАУКИ", октябрь 2008 № 10
    http://www.sciam.ru/2008/10/interview.shtml
    Олег Сеньков, PhD (info(at)olegsenkov.com)


    Это интервью мне удалось взять одним ранним июньским утром в одном из кафе на Сант-Жэрман, в Париже, у одного из самых успешных исследователей мозга – Юрия Бужаки (Gyorgy Buzsaki), венгра по происхождению, который вот уже долгие годы живет и работает в США, заведует лабораторией (http://osiris.rutgers.edu/frontmid/indexmid.html), изучающей мозговые осцилляции в гиппокампе и неокортексе при Центре Молекулярных и Поведенческих Нейронаук в университете Рутгерс, занимает сегодня лидирующее положение в топе самых цитируемых авторов научных работ, которых у него более 200, опубликованных в таких высоко-импактных журналах, как «Cell», «Neuron», «Nature Neuroscience», «Science», «PNAS» и т.д., автор недавно вышедшей книги-бестселлера – «Rhythms of the brain» («Ритмы мозга»).

    Париж, 12:30, 20 июня, 2008 г.


    - Какими экспериментами сейчас занят Мистер Бужаки у себя в лаборатории в Рутгерс?

    - О-о, многими… (хитро улыбается) Одно из самых моих сокровенных желаний – понять, какие механизмы работы мозга лежат в основе нашего когнитивного поведения, а это самая трудная задача, когда-либо стоящая перед человечеством. Если я спрошу тебя о каком-то моменте из твоего прошлого, например, о твоей студенческой жизни, - твой рассказ, вероятнее всего, займет несколько вечеров, так? Где же хранятся все эти тонны информации в мозге, как мы находим нужные «файлы» и связываем их вместе? Ответ – очень прост. Где-то в глубинах нашего мозга существует некая «лампочка», назовем ее так, которая зажигается всегда, когда нам нужно что-то вспомнить, она отбрасывает нас назад в наше прошлое, и воссоздает в деталях тот пространственно-временной контент, в котором произошло данное событие. На нейрофизиологическом языке, эта лампочка-прожектор освещает именно тот ансамбль нейронов в мозге, из которого, как из пазла, постепенно воссоздается фотографический снимок события, о котором мы пытаемся вспомнить, все его пространственно-временные, даже эмоционально-когнитивные детали. Это может происходить теоретически бесконечно – одна история цепляет другую, а та рождает десять новых. Парадоксально, но если наш мозг полностью ограничить от входа любой информации извне, то эта лампочка все равно будет зажигаться и триггерить цепочки нейронных ансамблей из прошлого практически нон-стоп, спонтанно. Без этого невозможен не один когнитивный акт, - мозг не просто отвечает на стимулы окружающей среды как в пинг-понге, автоматически, не задумываясь, - напротив, его ответы рождаются в соответствии с планами, которые в свою очередь зависят от прошлого. Все эти вопросы я, мои аспиранты и постдоки, и пытаемся сейчас атаковать в нашей лаборатории в университете Рутгерс.

    - То есть, наш мозг постоянно активен, даже если нет никакого внешнего воздействия, некой задачи? Для чего это нужно, не является ли это шумом, помехой для «реального» жизненно-важного вычисления?

    - Да, многие ученые рассматривают это как проблему: «спонтанная активность мозга – это шум, который не несет никакой полезной информации, и поэтому должен быть отфильтрован мозгом при осуществлении вычислительных операций» - говорят они, – для меня же этот «шум» –самая интересная часть когнитивного мозга, потенциальный источник нашей познавательной способности, интеллекта. Приведу несколько примеров из экспериментов, которые мы пытаемся сейчас делать у себя в лаборатории. Суть их состоит в том, что мы регестрируем активность в виде спайков как можно большего числа нейронов мозга в тот момент, когда животное выполняет некую когнитивную задачу.  В таких сложных многомерных интерактивных средах, как неокортекс или гиппокамп, где спайки, несущие информацию, могут перемещаться практически в любом «n-ом» направлении, понять эволюцию, значение такой активности очень не просто. Но к счастью, мозг сейчас довольно хорошо описан морфологически, картированы связи между многими популяциями нейронов, особенно в гиппокампе, а эксперименты планируются так, что известны заранее начальные условия работы мозга, известны все внешние триггеры, стимулы и т.д.  – поэтому удается найти рациональное объяснение корреляций активности определенных отделов мозга, даже отдельных нейронов, с теми или иными когнитивными процессами, памятью, обучением. Когда я тебя спросил о твоей студенческой жизни в Питере, мой вопрос за доли секунды вызвал возбуждение именно тех нейрональных ансамблей в твоем мозге, переменные которых, зависят от тех событий в прошлом, это определяет каким путем, какими нейрональными сетями будут реверберировать траектории воспоминаний.

    - Понятно! Слова, запахи, фотографии, музыка – внешние стимулы;  мистическая «лампочка» в мозге – это некий библиотекарь, который знает где хранятся файлы, т.е. наши воспоминания, которыми в свою очередь являются уникальные нейросети. Получается, что в нашем мозге все статично?  Или все же клеточные ансамбли постоянно морфируют в зависимости от текущего состояния мозга, опыта индивидуума, и нет «чистого» неизменного прошлого?

    - Не совсем так, мозг не имеет ни прошлого, ни настоящего, ни будущего состояния, мозг не имеет ни времени, ни пространства – это более сложная структура, чем просто набор, хоть и большой, разных популяций нейронов, аксонов и глиальных клеток. Мозг – это гиперсложный транслятор, где x-y-z координаты пространства переводятся в категории времени – миллисекунды. Все физические характеристики пространства, и все что в нем находится, перекодируется в интервалы времени, разряды спайков, временной код, который в свою очередь транслируется в долговременную потенциацию или депрессию синапсов, которые формируют функциональные связи клеточных ансамблей и сами ансамбли. Сила этих связей может варьировать в зависимости от времени и паттерна приходящих спайков, одни синаптические контакты усиливаются, другие ослабляются, все это формирует разные шкалы клеточной памяти.  Здесь важно понять, для того чтобы мозг мог в обратном порядке, во время какого-то воспоминания,  воссоздать картину трехмерного пространства из «прошлого», только оперируя изменениями синапсов, нейрональным ансамблям необходимо  заново декодировать, так называемые синаптические веса во временной код спайков, и время воссоздаст пространство в мельчайших его деталях. Таким образом, 3-х мерное пространство транслируется в одномерное – время, и хранится в памяти синаптических контактов.

    - Это очень интересная концепция четырехмерного транслятора, а как экспериментально можно увидеть его работу в живом мозге?

    - ОК, я могу тебе рассказать об очень красивых экспериментах. В гиппокампе есть так называемые «клетки места», они были открыты Джоном О‘Кифом (John O’Keefe) из университета Лондон в далеком 1971 году, их главная особенность – они кодируют точные x-y координаты животного в пространстве (клетки места есть и у человека, они создают как бы внутреннюю карту окружающей среды, в которой человек находится, прим., ОС). Если мышь или крысу поместить в специальный миниатюрный длинный коридор, и заставить просто бегать вперед и назад в поисках сладкой подкормки, одновременно ведя регистрацию большого числа нейронов в гиппокампе через имплантируемые электроды, то экспериментатор удивится тому, что каждый отдельный сегмент коридора будет представлен одним или несколькими нейронами, они будут выдавать максимальное количество спайков только в определенных точках пространства, как бы животное не бежало и когда, таким образом «помечая» эти места во внутреннем «навигаторе» - гиппокампе. Интересно, что эти клетки места будут активными практически в любой точке пространства, но гораздо меньше, максимум активности всегда буде сфокусирован в каком-то одном месте. Это служит определенной функции: клетки места помечают не только особые ориентиры среды, но и как бы «сканируют» еще и всю среду, записывая весь пройденный путь на внутреннюю карту мозга, чтобы потом использовать ее в будущем, если животное повторно окажется в данном месте. Интересно еще и то, что каждая часть пространства представлена многими нейронами, и территория, которую метит один нейрон, может быть довольно большой, от нескольких сантиметров, до метра. Таким образом, если посмотреть что происходит в крохотном промежутке времени, всего 100 мс, десятая часть секунды, то в этом «окне» будут активными многие и многие нейроны. Возникает вопрос – зачем это нужно, и как их активность соотносится друг с другом? Приведу один пример: если животное перемещается с лева направо по коридору, и нейрон А «выстрелит» спайки первым, а за ним последуют нейроны B, C, D и т.д., их территории кодирования будут на определенном расстоянии, например, 30 см друг от друга. Если животное бежит со скоростью 30 см/c, значит, нейрон B будет максимально активным через полсекунды после нейрона A, но их территории кодирования перекрываются друг с другом, например, нейрон B начнет производить спайки через 10 мс после начала активности нейрона А. Если взять теперь другую клетку в цепочке, нейрон С, его территория кодирования, точка максимума активности, пусть находится на расстоянии 40 см от максимума нейрона В, это значит, что сдвиг начала его активности будет уже 12 мс по отношению к нейрону В, и так далее. Больше расстояние в пространстве между максимумами территорий кодирования – больше временной сдвиг между активностью клеток места. Время теперь превосходно представляет пространство, какие-то его особенности.  Что удивляет еще больше, это то что, если взять все тот же небольшой интервал времени в 100 мс, всего один цикл так называемых theta-осцилляций (волновая активность мозга, которая пульсирует с частотой 8 – 12 циклов в секунду, прим., ОС), при этом регистрируя большое число клеток места одновременно, то все эти нейроны, их активности, выстроятся в упорядоченную цепочку активностей нейронов А, В, С, D и так далее, всего на одном цикле theta-ритма. Более того, этот паттерн всего в 100 мс будет кодировать активность клеток места пространства размером в 3 – 4 метра, по этой последовательности можно легко предсказать какие нейроны будут активными максимально и где в будущем, по ходу движения животного по коридору.

    - Получается, что в гиппокампе, информация о пространстве и расстояниях сжимается, упаковывается в более компактный код; сантиметры и метры переходят в миллисекунды, так? Для чего это нужно? Наш «медленный» мир, в котором все значимые события происходят в шкале секунд и минут должен быть как-то представлен в мозге, который оперирует только миллисекундами?

    - Да, совершенно верно! Секундные события в нашем «медленном» мире должны быть как-то представлены в шкале, в которой работают нейроны. Это значит, для того чтобы связать в мозге два отдельных события вместе, они должны быть конвертированы во временную шкалу в которой работает синаптическая пластичность. В мозге нет механизма, или, по крайней мере, пока мы о нем не знаем, который мог бы связать два события, происходящие в несколько секунд друг от друга; синаптическая интеграция, клеточная память происходят в нейронах, которые детектируют пресинаптическую активность в диапазоне нескольких десятков, максимум сотен, миллисекунд. Поясню на примере, если нейроны А и В связаны синапсами с общим нейроном С, пошлют ему информацию в виде двух пачек спайков, каждый нейрон свой, и эти пачки придут к нейрону C  с задержкой в несколько секунд, то эти два события будут расценены нейроном С как два независимых события. Но если расстояние между ними в диапазоне миллисекунд – то, как одно событие (или как два, но связанных между собой контекстно, например, форму и запах одного предмета, или расположение этого предмета в пространстве и его «значимость» для животного, например, съедобность или опасность, прим., ОС ). Так мозг создает ассоциации чего-то интересного о мире, который его окружает.

    - Таким образом, современная клеточная теория формирования памяти – синаптическая пластичность, в основу которой легли два противоположных по направленности процесса – долговременная потенциация и депрессия (Long-Term Potentiation, LTP and Depression, LTD), открытые Тим Блиссом (Tim Bliss) из Англии и Терье Ломо (Terje Lomo) из Норвегии в 1966-72 годах, может быть расширена вашей новой теорией о важности для формирования памяти гиппокампальных осцилляций, особенно в диапазоне theta и gamma частот, 8 – 12 и 40 – 80 Гц, соответственно, а также очень медленных, так называемых SWS (Slow Wave Sleep) волн (0.1 – 1 Гц) и очень быстрых, «острых» волн (Sharp Waves) или рипплз (100 – 200 Гц).

    - Да, для того чтобы сделать какой-то синапс сильным, как бы «помнящим» что-то, необходимы условия при которых, пресинаптический нейрон или ансамбль нейронов разряжаются спайками в очень коротком промежутке времени, и раз за разом, другими словами, синхронизация – основа клеточной памяти.  Один нейрон – говоря образно, в поле не воин, он не может существенно повлиять на постсинаптический нейрон (если только постсинаптический нейрон не активирован синхронно, в одно и то же время с пресинаптическим нейроном, что может привести также к усилению синапса, прим., ОС). Но когда нейроны разряжаются спайками вместе, их импакт на постсинаптический нейрон суммируется, образуется устойчивая синаптическая связь(и), а группа нейронов с синхронной активностью образуют нейрональный ансамбль, кодирующий какую-то особенность окружающей среды, пространства, его «n»-ую переменную, другими словами, кодирующие одну и ту же часть информации. Интересно, что в то же самое время, данный клеточный ансамбль должен быть сегрегирован, обособлен от тысяч других одновременно существующих в мозге, в данной структуре, в данное время. Интеграция и сегрегация – одни из самых фундаментальных процессов в природе; что схожее, что разное – всегда зависит от контекста. «Нарезать» информацию кусочками, разделить ее и упаковать по схожести в отдельные файлы, плюс составить каталог всех файлов и вести его постоянный апдейт – главные рутинные задачи мозга. Все что мы называем словом «информация» имеет начало и конец, как в ДНК все протеины закодированы в генах, каждый из которых имеет и начальный и конечный «старт» и «стоп» сигналы, соответственно. Теперь, апплецируя эту идею на мозг, что было бы, если бы мозговая активность была бы постоянной, без начала и конца – для мозга это бы означало полную информационную смерть. Таким образом, время в мозге – это ВСЕ! От малейших вариаций в синхронизации работы двух нейронов или двух популяций нейронов зависит, будет или нет усилен синапс(ы) между ними, таким образом, будет или нет образован долговременный клеточный ансамбль, хранящий какой-то бит информации.

    - Как же в мозге формируется логичная, строго адекватная картина мира, когда ему приходится  оперировать таким колосальным объемом информации, поступающей практически постоянно от 5 различных органов чувств?

    - Это действительно очень интересно! Чем больше я занимаюсь изучением мозга, тем больше восхищаюсь гениальностью «конструкции» этого устройства.  Осцилляторная активность в мозге образуется за счет протекающих одновременно ингибирующих и возбуждающих процессов, которые имеют разную силу в каждый момент времени. Если некий нейрональный ансамбль, скажем 100 нейронов, в гиппокампе кодирует некую энную характеристику пространства, то его суммарная активность постоянно флюктуирует в промежутке одного theta цикла в 100 мс, на конце которого все нейроны неожиданно становятся молчащими, или почти молчащими, и так с каждым theta колебанием. Это прекрасные «старт» или «стоп» сигналы для мозга в процессе «упаковывания» информации и «нарезания» ее на отельные сегменты.  Как в языке, гласные и согласные звуки формируют слова, а слова складываются в речь, так эти периоды молчания в каждом theta-цикле нейрональных ансамблей – в удобочитаемые для мозга единицы информации. Одна траектория пути животного по коридору кодируется последовательностью нейронов A, B, C, D, другая, после «стоп» сигнала, нейронами E, F, G, H и т.д., и все это в крохотном промежутке времени всего 200 мс; без theta осцилляций разделить эти два нейрональных ансамбля было бы невозможно, и соответственно, два разных пути следования крысы по коридору перестали бы существовать в мозге животного. Такая интеграция и сегрегация за счет осцилляций происходит очень эффективно и почти без энергетических затрат мозгом.

    - Есть разные виды памяти, есть разные процессы запоминания и обучения, существует множество экспериментальных моделей и концепций, как это все происходит в живом мозге и на клеточном уровне, но есть одна теория, которая считается почти универсальной в нейронауках о памяти: долговременная память всегда требует синтеза новых протеинов. Как эта «протеиновая» теория памяти вписывается в вашу осцилляторную?

    - Да, современное представление о долговременной памяти как о процессе, который требует синтеза различных протеинов de novo (ионных каналов, рецепторов, энзимов) для консолидации изменений в синапсах, вызванных обучением или формированием траекторий памяти, довольно общепринято. Но здесь, на мой взгляд, есть несколько «но». Первое, не имеет значения как, где и в каком формате информация запоминается мозгом, но для того чтобы она была доступна для использования, она должна быть переведена в универсальную «валюту» в мозге – в спайки, таким образом, как я уже говорил выше, синаптическая коммуникация должна быть транслирована обратно в коммуникацию за счет спайков. Даже если протеины очень важны, они всего лишь часть этого процесса, который в основе электрический. Другой аспект, если бы память так критично бы зависела от протеинов, то как объяснить, что ты до сих пор помнишь свои студенческие годы в таких деталях, ведь прошло много лет с тех пор, а мы знаем, что протеины не живут так долго. Пока мы не знаем точно, как долго живет отдельно взятый синапс; одни ученые говорят около месяца, другие – всего несколько недель, даже дней. Таким образом, в моем понимании, «протеиновая» теория звучит немного парадоксально – если постоянно не освежать ВСЕ детали воспоминаний в памяти, всю эту массу информации в мозге о нашем прошлом, о нашем индивидуальном опыте, которые зависят от синтеза новых белков, то по идее, наш мозг был бы лишен каких либо воспоминаний и знаний вообще, кроме тех, что мы получили за последний месяц. Кроме протеинов, здесь должно быть что-то еще; другие пути консолидации траекторий памяти, другие механизмы постоянного укрепления слабых или давних следов информации в мозге. Мозг должен помнить на сознательном уровне, что он запомнил то, что нужно запомнить. Мы знаем, что мозг полон информации, которой он никогда не пользуется сознательно и о существовании которой мы даже не догадываемся. Информация эта появляется в мозге по бессознательным каналам, когда мы спим, а спим мы треть нашей жизни. Зачем это нужно? Ведь умственная деятельность сознательная – днем, и бессознательная – ночью – это очень энергоемкий процесс, до 20% всей энергии тела тратится только на нужды мозга, а это очень много. Индивидуальная, сознательная, так называемая эпизодическая память, которая только твоя или только моя, хронологическая память, записывающая все важные события в нашей жизни и  значима, понятна только для нас, много раз как бы проигрывается за ночь в гиппокампе обратно, а затем фильтруется, амплифицируются значимые события, незначимые, наоборот, ослабляются, потом все сортируется, индексируется и записывается для долговременного хранения в кортексе.

    - То есть, каждый мозг индивидуален, он хоть и говорит на одном языке, языке спайков, но значения всех «слов» понятны только тому, кто «закодировал» эти слова? Другими словами, в будущем не появится некая технология, позволяющая «считывать» память людей, или «имплантировать» чужую память – такая память работать не будет?!

    - Почему нет! Все в мозге должно быть скалибрировано! В моей книге я очень часто этот тезис повторяю. Например, если ты вырастишь мозг в искусственной среде, скажем, в пробирке, даже если такой мозг подсоединен ко всем сенсорным органам, он не сможет ничего чувствовать. Вся необходимая информация об окружающем мире приходит в мозг, но он не может двигаться, он не имеет ни одного эффекторного органа, мышц, такой мозг будет иметь такую же активность что и мой мозг, если он имеет такое же количество синапсов, он будет очень похожим на микроскопическом уровне, но он будет абсолютно бесполезным, он никогда не учился видеть, слышать, бояться, он понятия не имеет о строении и форме тела, даже если подсоединить к такому мозгу все эффекторы, все мышцы, такой мозг все равно будет бесполезным, он не сможет дать ни одной «правильной» команды мышцам, ни одна мысль не будет правильно сформулирована – потому что мозг не откалибрирован, другими словами, он не обучен как правильно все это делать. Калибровка – это все что нужно!

    - Понятно! Давайте вернемся к осцилляциям. За последние 10 лет появилось огромное число научных работ, показывающих, важность осцилляций для формирования памяти; чем сильнее осцилляции, особенно в theta и gamma частотном домене, тем лучше память, быстрее обучение и т.д. Как вы можете объяснить тот факт, что при некоторых патологических состояниях мозга, как эпилепсии или шизофрения, осцилляции также усиливаются?

    - Наш мозг за миллионы лет эволюции настроен таким образом, чтобы работать в определенной временной шкале, если вдруг эта шкала нарушается – многие вещи в мозге перестают правильно функционировать. Нарушения работы могут быть локальными, как при шизофрении, когда нарушаются какие-то аспекты психики, так и глобальными, как при эпилепсии, когда на время эпилептического припадка теряется даже сознание. Многие фармакологические компании сейчас пытаются разрабатывать новые препараты, контролирующие те или иные характеристики чрезмерной осцилляторной активности, и надо сказать, не без успеха.

    - А есть ли препараты, которые убирают любые осцилляции в мозге?

    - Конечно! Любой анестетик меняет осцилляции. Сейчас даже существуют специальные «умные» машины, которые следят за уровнем анестезии при операциях, осуществляя постоянный мониторинг осцилляторной активности мозга. Интересно то, что, если смотреть просто на паттерн спайковой активности мозга во время анестезии, то особой разницы ты не увидишь, только осцилляции и уровень когерентной активности разных отделов мозга могут сказать наверняка, когда ты в сознании, а когда нет. Алкоголь в этом плане хороший пример: алкоголь активирует ингибиторные интернейроны в гиппокампе и кортексе, поскольку он является хорошим естественным агонистом GABA-A рецепторов, а это очень сильно воздействует на осцилляции, поскольку ингибиторные интернейроны являются одним из главных генераторов этих осцилляций. Алкоголь просто замедляет gamma осцилляции до 50 Гц, которые в нормальном состоянии между 30 и 100 Гц, этого небольшого сдвига вполне достаточно, чтобы мозг стал абсолютно другим. Могу привести другой яркий пример: во время таких сложных операций как операция на открытом сердце в современных клиниках, как например, в Москве или Колумбийском университете, в Нью-Йорке, хирурги сейчас применяют метод понижения температуры мозга, потому что они не хотят повредить мозг длинной процедурой операции, и первое, на чем сказывается такая «замарозка» мозга – этого его осцилляции. Если остудить мозг еще немного дальше, то в нем исчезает полностью всякая активность. Но я бы хотел здесь сделать акцент немного на другом. Представь, во время операции мозг полностью глух в течение 2 часов, нет ни намека на какую либо активность, операция закончилась, мозг постепенно нагревается до температуры тела, пациент встает, смотрит в зеркало и говорит «Я – такой-то», называет свое имя, помнит все, кто он, что с ним произошло и т.д., нет потери никакой информации, мозг сам себя «перезагрузил», как компьютер после сбоя, и вернулся к исходной дооперационной точке. Как такое возможно? Меня этот вопрос очень волнует! А ведь такая «перезагрузка» происходит сотни и сотни раз каждую ночь во время сна у каждого из нас. Объясню, что я имею в виду: когда человек засыпает, появляются так называемые медленные и синхронные delta-волны и SWS осцилляции в неокортексе, сейчас мы можем это мерить на индивидуальных нейронах, так вот, с экспериментов на животных мы знаем, что в определенный момент каждого осцилляторного цикла, эти нейроны полностью молчат, от префронтального кортекса до окципитального – абсолютная тишина в течение 200 – 300 мс, нет спайков, нет  ничего. Как раз в эти промежутки, как мы считаем, мозг «перезагружает» сам себя во время сна. Для чего это нужно? Здесь много пока открытых вопросов. Ну, представь себе, если бы я выключил твой гиппокамп буквально на минуту в тот момент, когда ты рассказываешь мне какую-то историю, что бы произошло после того, когда активность в твой гиппокамп бы вернулась? Забыл бы ты полностью, что рассказывал мне историю? Начал бы свой рассказ в точке, где ты прервался? Или может быть продолжил бы историю с той точки, где бы ты был, если бы твой гиппокамп не был бы выключен целую минуту?

    - Да, интрига на лицо! И каков ответ? Он известен?

    - Да, уже известен, потому что мы недавно сделали такие эксперименты на крысах. Мы смогли выключить гиппокамп всего на два theta-цикла во время того, когда животное бежит по коридору и клетки места составляют навигационную карту пространства. Мы смогли остановить электрическую активность всего гиппокампа за счет его стимуляции, что вызвало сильную активацию GABA-A  и GABA-B рецепторов с последующим ингибирующим эффектом, длящимся два theta-цикла. После такой «перезагрузки» нейроны вернулись к своей активности в той точке, где они были бы, если бы не выключение гиппокампа.

    - Да, это очень неожиданные результаты! Кто бы мог подумать?

    - Да, на первый взгляд нам показались эти результаты очень парадоксальными; но потом, подумав, мы поняли, что мы ведь манипулировали только гиппокампом, весь остальной мозг работал нормально, и потом, животное бежит по тому же коридору каждый раз снова и снова, иными словами, апдейты о x-y координатах животного в пространстве всегда доступны, даже при отсутствии гиппокампа. Другая ситуация в нашем воображаемом эксперименте с историей, которая оборвана выключением гиппокампа. Поскольку здесь нет доступных мозгу сигналов от окружающей среды о том, с какой точки начать рассказ, нет апдейтов, я думаю, что мозг продолжит рассказ с точки, где он был прерван. Примерно так происходит, когда пациента, страдающего эпилепсией спрашивают его имя и фамилию, он говорит имя, потом наступает эпилептический припадок на 40 секунд, и когда припадок проходит, пациент называет свою фамилию, не ведая того, что он был в бессознательном состоянии довольно продолжительное время. Если писать активность мозга в это время, то совсем не понятно, каким образом эпилептический припадок не стер полностью эту информацию «что сказано, а что еще нет», мозг перезагружает себя сам и начинает работать с той точки, в которой он был прерван. Я думаю, что ответ здесь может быть следующим: в таких сложных системах как мозг, характер активности зависит только от двух переменных – реальные связи в системе и начальное инициирующее условие, и когда приложишь на такую систему такой очень предсказуемый сигнал, как осцилляторная эпилептическая активность, когда она заканчивается, если убрать этот постоянный периодический сигнал, все что останется – начальная инициирующая точка.

    - Известно, что гиппокамп работает как трисинаптическая замкнутая «ловушка» для любых сигналов из остального мозга; все, что попадает внутрь гиппокампа начинает долго реверберировать, крутиться по спирали, при этом входы гиппокампа  открыты. Для чего это нужно? Может для постоянного мониторинга этих инициирующих точек и апдейтов?

    - Это можно сказать и про весь остальной мозг. Мозг – это все же небольшая нейросеть; ты можешь добраться с любого положения в любое другое, по крайней мере, в кортексе, всего за 5 – 7 синапсов. А гиппокамп – самый мощный «усилитель» в мозге, он усиливает за счет возбуждающей трисинаптической «ловушки» любые сигналы, которые в него попадают. К тому же, он самый мощный синхронизатор в мозге. Вот почему эпилепсии так часто возникают именно в этой структуре. Когда я был постдоком, я провел одну работу, в которой обнаружил, что во время очень быстрых осцилляций, которые мы называем рипплз (100 – 200 Гц) в гиппокампе, менее 1% нейронов кооперирует вместе во временном окне в 100 мс, это очень маленькое количество, но когда животное или человек засыпает, количество работающих вместе нейронов в этих рипплз вырастает до 15%. У животного, это порядка 50 – 80 тысяч нейронов одновременно разряжаются спайками. Таким образом, гиппокамп очень сильно рискует, высвобождая синхронно такую колоссальную активность. Для чего такой риск нужен? Логично предположить – для чего-то очень и очень полезного. Как мы поняли позже, такой паттерн активности нейронов во время рипплз необходим для трансляции информации, полученной за день, в неокортекс во время сна, происходит ее консолидация в то время, когда мозг находится в бессознательном состоянии (скорее всего в сознательном состоянии такой переброс информации из гиппокампа в кортекс осуществить еще более рискованно, если вообще возможно, так как гиппокамп постоянно занят апдейтами новой информации, прим., ОС).

    - Хорошо, если осцилляции так важны для нормального функционирования мозга, можем ли мы как-то влиять на них сами? Есть научные работы, которые показывают, например, положительное влияние музыки разных ритмов и частот на память и обучение. Многие любители джоггинга, спортивной ходьбы или бега отмечают, что во время такой «ритмичной»  физической активности им думается легче, сознание чище, да и на память это влияет тоже положительно; ритм тела как бы заставляет ритмично работать мозг. Это все что мы можем делать?

    - Нет, существует много других способов, многие из них я обсуждаю в своей книге. Например, сейчас есть довольно много научных работ, показывающих, что происходит в мозге йогов, когда они медитируют. Интересно то, что их паттерн активности мозга во время медитаций очень сильно напоминает характерный паттерн синхронной активности во время эпилепсии. Другими словами, медитация изменяет ритмическую активность мозга таким образом, что «мозг сознательный» начинает больше работать как «мозг бессознательный», уменьшается влияние внешнего мира на осцилляции, активность мозга больше сфокусирована на обработке внутренних переменных, а не внешних. Насчет бега и джоггинга, - я предпочитаю плавание; когда ты довольно долго плывешь, ритмичная работа твоего тела вовлекает тебя в некую изоляцию от внешнего мира, где ты можешь остаться один на один со своими мыслями, это помогает лучше сосредоточится на чем-то. Могу рассказать тебе об очень интересных экспериментах, которые были недавно сделаны группой ученых под руководством Яна Борна (Jan Born) из красивого города Любек на севере Германии, у меня был постдок, Лиза Маршалл (Lisa Marshall), сейчас она работает у Борна, так вот, она опубликовала статью в 2006 году в журнале «Nature», суть ее сводится к следующему. Как я уже говорил выше, медленные осцилляции, от 0.1 до 1 Гц, во время глубокого сна, облегчают появление очень быстрых и коротких рипплз волн в гиппокампе (100 – 200 Гц), которые, как мы знаем, очень важны для консолидации памяти. Медленные волны образуются в неокортексе, поэтому, первичная гипотеза исследования была такова: если каким-то образом усилить появление медленных волн в кортексе, то это в свою очередь, должно увеличить количество рипплз в гиппокампе, что положительно должно сказаться на памяти. Как оказалось, гипотеза была верна – если стимулировать слабым электрическим током, который настолько слаб, что не ощущается человеком, не вызывает никаких сокращений мышц и т.д., с частотой 0.75 Гц фронтальные части головы в то время когда человек глубоко спит, тем самым как бы усиливать собственные медленные волны в кортексе, которые осциллируют с той же частотой, то на утро, у человека будет лучше работать эпизодическая память. В данных экспериментах я вижу большой потенциал, в первую очередь, потому что они очень просты, они не требуют очень «умной» аппаратуры и наукоемких технологий, я даже могу предвидеть, что такие машины будут скоро продаваться и не дорого – еще раз, технология очень проста. Почему я вижу большой потенциал в ней? Потому что, мы знаем, что с возрастом, где-то после сорока, у человека резко уменьшается количество медленных волн во время глубокого сна, это четко коррелирует с потерей памяти, где данная технология может быть очень и очень полезной.

    - Спасибо большое за столь интересный разговор! Очень познавательно получилось! Под конец, я хотел бы спросить пару «ненаучных» вопросов! Есть ли у Бужаки иные хобби, кроме науки?

    - Не за что! Мне всегда приятно видеть, что сейчас молодежь интересуется нейронауками, задается вопросами «как работает мозг», «кто есть мы в этом мире». Да, хобби у меня есть! (смеется) Когда я был тинэйджером, я увлекался любительским радио, это был мой первый источник вдохновения исследовать разные виды коммуникаций и кодирования (я был тогда хорошим знатоком кода Морзе)  и осцилляций (я построил сам почти все мое оборудование). Мое хобби сейчас – современная архитектура, я особенно интересуюсь архитектурными сооружениями, идеями и технологиями, которые легко масштабируются, то есть, могут быстро и эффективно быть перестроены под разные нужды. Это, кстати, одна из главных проблем – масштабирование функций – которая интенсивно изучается и в мозге.

    - В околонаучной среде постоянно ходят слухи, что легче добраться до Луны, чем стать аспирантом или постдоком у Бужаки в лаборатории! Так ли это? Возможно ли вообще, какому-нибудь пытливому студенту из Москвы или Питера попасть к тебе работать? Какие требования Бужаки предъявляет сейчас к потенциальным сотрудникам?

    - Я могу похвастаться – два русских ученых, Анатолий Брагин и Антон Сирота работали у меня более 8 лет, плюс, у меня были и другие русские студенты и постдоки с короткими визитами, например, Рустам Казипов, сейчас работает в Марселе. В настоящее время в лаборатории мы говорим на 12 разных языках. Русские всегда хороши в математике, физике и инженерных науках, - такой «технический» базис – сейчас просто первая необходимость в нейронауках.

    ***

    Об авторе: Олег Сеньков (Oleg Senkov) — нейрофизиолог, получил бакалаврскую и магистерскую научные степени в Санкт-Петербургском государственном университете, защитил докторскую диссертацию в Гамбургском университете (Германия), в данный момент — научный сотрудник Института нейрофизиологии и патофизиологии университетской клиники Эппендорф в Гамбурге. Сфера научных интересов — исследование мозга, в частности, основ работы памяти и обучения на молекулярно-генетическом, клеточном и системном уровнях. Хобби: журналистика, фотографирование и веб-дизайн. Домашняя страница: www.olegsenkov.com

      Возможность размещать комментарии к сообщениям отключена.

    Категории

    Свернуть

    Latest Articles

    Свернуть

    • Активные и пассивные методики картирования мозга 2016
      olmart
      Если Вам хочется овладеть современными методами исследования мозга: Приглашаем магистрантов, аспирантов и молодых исследователей на интенсивную школу, разработанную совместно НИУ ВШЭ, МГППУ, МГУ, ИВНД РАН, СПбГУ и НИЦ Курчатовский Институт. А также в школе участвуют лекторы...
      18.10.2016, 11:04 PM
    • Мозг – это гиперсложный пространственно-временной транслятор или парижский разговор с Юрием Бужаки
      Administrator

      Опубликовано в сокращенном варианте в журнале "В МИРЕ НАУКИ", октябрь 2008 № 10
      http://www.sciam.ru/2008/10/interview.shtml
      Олег Сеньков, PhD (info(at)olegsenkov.com)


      Это интервью мне удалось взять одним ранним июньским утром в одном из кафе на Сант-Жэрман, в Париже, у одного из самых успешных исследователей мозга – Юрия Бужаки (Gyorgy Buzsaki), венгра по происхождению, который вот уже долгие годы живет и работает в США, заведует лабораторией (http://osiris.rutgers.edu/frontmid/indexmid.html), изучающей мозговые осцилляции в гиппокампе и неокортексе при Центре Молекулярных и Поведенческих Нейронаук в университете Рутгерс, занимает сегодня лидирующее положение в топе самых цитируемых авторов научных работ, которых у него более 200, опубликованных в таких высоко-импактных журналах, как «Cell», «Neuron», «Nature Neuroscience», «Science», «PNAS» и т.д., автор недавно вышедшей книги-бестселлера – «Rhythms of the brain» («Ритмы мозга»).
      Париж, 12:30, 20 июня, 2008 г. - Какими экспериментами сейчас занят Мистер Бужаки у себя в лаборатории в Рутгерс?- О-о, многими… (хитро улыбается) Одно из самых моих сокровенных желаний – понять, какие механизмы работы мозга лежат в основе нашего когнитивного поведения, а это самая трудная задача, когда-либо стоящая п...
      29.01.2016, 03:28 PM
    • Тест «часы с поворотом» для оценки пространственной ориентации в норме и у больных с когнитивными расстройствами
      Administrator
      Описывается простой компьютерный тест, предназначенный для определения способности к ориентации (выбор нужного направления относительно некоторого исходно заданного направления). Тест, названный "Часы с поворотом", основан на использовании циферблата часов, повернутого на случайный угол. На таком циферблате испытуемый должен найти положение часовой стрелки (или в другом варианте часовой и минутной стрелок) для указанного в тестовом задании времени. Основные регистрируемые параметры –величина ошибки при установке требуемого времени и время выполнения задания (латентность). Проведенные испытания теста на пожилых здоровых людях и пациентах со слабыми когнитивными расстройствами дают основание предполагать, что данный тест окажется полезным при диагностике...
      29.01.2016, 03:28 PM
    • Аксиоматика женской логики
      Administrator
      Автор: В.О. Леонтьев
      ...
      29.01.2016, 03:28 PM
    • Комментарии к Заметкам о женской логике Д.В.Беклемишева
      Administrator
      Автор: В.О. Леонтьев
      ...
      29.01.2016, 03:28 PM
    • ЭЭГ руководство (часть 1: Basic concepts)
      Administrator
      The selected sections of Chapter 35 “Electroencephalography”. From Handbook: Modern techniques in neuroscience research. Ed. U.Windhorst. Springer-Verlag, 1999. By Ivanitsky A.M., Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A.

      EEG Origin

      Generators of electric field which can be registered by scalp electrodes are groups of neurons with uniformly oriented dendrites. The neurons permanently receive impulses from other neurons. These signals affect dendritic synapses inducing excitatory and inhibitory postsynaptic potentials. Currents derived from synapses move through the dendrites and cell body to a trigger zone in the axon base and pass through the membrane to the extracellular space along the way. EEG is a result of summation of potentials derived from the mixture of extracellular currents generated by populations of neurons. Hereby the EEG depends on the cytoarchitectures of the neuronal populations, their connectivity, including the feedback loops, and the geometries of their extracellular fields (Freeman 1992). The main physical sources of the scalp potentials are the pyramidal cells of cortical layers III and V (Mitzdorf 1987).


      Figure. Neuronal oscillators inside the cortex, discharging with their intrinsic frequencies (f1, f2, f3), produce extracellular currents summed o...
      29.01.2016, 03:28 PM
    Обработка...
    X