Мозг и его «Я». Кто мы? Откуда мы? Куда мы идем? - Татьяна Владимировна Черниговская

Для реконструкции коннектомов используют различные подходы. Так, при реконструкции коннектома человека сегодня чаще всего применяются два метода. Один – это использование структурного МРТ-картирования мозга. Как правило, здесь узлами берутся какие-то области, а связями – нервные проекции между ними.

Второй подход, который формально нарушает понятие «коннектом», но все чаще используется сегодня, – функциональная коннектомика. Функциональный коннектом – не реальная в анатомическом смысле нервная сеть. В этом случае за узлы принимаются те участки нервной ткани, из которых ведется регистрация функциональной активности этой сети. Методом регистрации могут быть микроэлектроды, электроэнцефалографическое снятие сигналов с поверхности черепа, а также функциональное МРТ-исследование, где каждый воксель, или группа вокселей, отвечающая за анатомическую структуру, считается вершиной в сети. Дальше строится сеть на основе разных методик линейной или нелинейной статистической корреляции активности в узлах отведения сигналов. Связями в данном случае являются статистические зависимости активности в этих точках. Это дает возможность построить функциональную сеть, которая может далее накладываться на структурную.

Еще одно представление коннектома – это матрица связности, или матрица смежности. По осям этой матрицы откладываются вершины, а в пересечении, условно говоря, обозначается, «существует или не существует связь». По этим матрицам можно не визуально, а математически описать коннектом.

Анализ коннектомов ведется на разных пространственных масштабах. Сети мозга исследуются также и во временной динамике, в том числе длительной, например, в индивидуальном развитии мозга человека или животного. При этом рассматриваются разные формы изменений, связанные, например, с процессами компенсации при тех или иных нарушениях и т. д., выраженными в терминах теории графов. В совокупности это создает большое разнообразие топологических подходов в коннектомике: от выявления локальных свойств узлов и связей до глобальных характеристик сети как целого.

Свойства, описываемые таким образом, соотносятся дальше с высокоуровневыми когнитивными явлениями или процессами поведения посредством коррелятивных методов. Вариантов таких корреляций может быть множество. Можно сопоставлять характеристики процессов, происходящих в сети, или ее структурных перестроек с такими вещами, как обучение, память, язык, эмоции, внимание и тому подобное.

Одним из масштабных проектов в этой области стал выполнявшийся на протяжении пяти лет проект Национального института здоровья США «Коннектом человека» (The Human Connectome Project). Он привел к получению большой базы данных, накопленной на 1200 здоровых взрослых добровольцах. В базе были объединены анатомические и функциональные свойства мозга человека, а также расшифровка генома части испытуемых, то есть корреляция между анатомией и функциональными процессами в мозге с генетическими данными, наложенными на разные поведенческие когнитивные тесты.

Приведу несколько иллюстраций основных направлений и достижений в этих областях коннектомики. Как я уже упоминал, в сетях мозга человека были обнаружены структуры, получившие название «клуба избранных». Это комплекс из хабовых структур, лежащих преимущественно в медиальных частях корковых и подкорковых областей мозга, которые, во-первых, являются участками связности большого количества других структур и, во-вторых, имеют большее количество связей друг с другом. Последующие исследования показали, что структуры, имеющие такие характеристики, обнаруживаются в нервных системах и других млекопитающих, и даже у нематоды C. elegans, что говорит о том, что это некоторая общая закономерность эволюционного выстраивания эффективной экономики и коммуникации в нейронных сетях.

Вторая важная вещь, которая была выявлена и набирает все больше популярности, – это то, что коннектомы с помощью разных методов, в основном функциональных, можно дробить на фрагменты. В разных работах они получают разные названия – либо модули (modules), либо сообщества (communities). Существуют алгоритмы, которые позволяют автоматически вычленять такого рода модули или сообщества, что означает их большую связность друг с другом, и показывать, как происходит коммуникация между ними.

Отдельное направление – это изучение структурных и функциональных сетей мозга при разных патологиях, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрения, состояние комы и т. д.

Я также упоминал, что есть еще одна шкала для исследования коннектомов – развитие мозга. Сейчас появляется много работ по онтогенезу нервных сетей. Последние работы, которые я видел на эту тему, построены на пренатальной визуализации топографии нервной сети мозга у плода, то есть выполняется реконструкция коннектома человека еще до рождения. В постнатальном периоде, естественно, ведется множество других исследований, часть из них – методом электроэнцефалографии.

И, наконец, последнее применение, которое я хотел здесь назвать, – это использование сетевых подходов для выяснения принципиальных свойств биологических нейронных сетей с целью создания на основе этого нейроморфного искусственного интеллекта – искусственных нейронных сетей, которые будут построены на таких же принципах организации и коммуникации. Так, например, компания IBM, которая в 2006 году взяла курс на развитие технологии когнитивных вычислений (cognitive computing), помимо обеспечения этого направления на уровне микроэлектроники – нейроподобных мемристоров и нейроморфных чипов, ведет активные исследования коннектомов и устройства когнитивных коммуникаций в мозге млекопитающих, таких, как мыши и макаки.

Надеюсь, я проиллюстрировал широту возможностей первого пункта, говорящего, что любая нервная система может быть формально представлена как сеть – то есть к ней может быть применен формализм теории сложных сетей или теории графов.

Но у этого подхода есть и существенные ограничения. Принципиальное ограничение, на мой взгляд, заключается в том, что все это направление, которое началось со структурных коннектомов, а сейчас перешло к функциональным коннектомам, что, казалось бы, постепенно приближает нас к мозгу, обеспечивающему когнитивные процессы, никак не решает «главной проблемы» – MAIN (mind-brain) problem. Как молчаливо предполагается в подходах коннектомики, из топологических свойств и характеристик активности нервных сетей головного мозга можно экстрагировать ментальные процессы, субъективный опыт, и эти состояния могут быть описаны теоретическими средствами теории сетей.

Но мое мнение – нет, нельзя. Решение главной проблемы – MAIN problem – требует не продолжения эмпирических исследований на уровне анатомии и физиологии мозга и их обобщения на языке теории сложных сетей, а качественно иного скачка в теории мозга, который даст принципиальный ответ на вопрос: где в мозге разум?

Когнитом: гиперсетевая теория мозга

Я пропущу в сегодняшнем выступлении второй из названных мной пунктов – возможность описания разума на языке теории сетей. На эту тему есть небольшое, но постоянно накапливающееся количество исследований, где элементами сети, в зависимости от когнитивной дисциплины, могут быть взяты либо концепции или понятия – и тогда строятся семантические сети и исследуются связи различных понятий, либо элементы памяти – и тогда строятся графы и связи элементов субъективного опыта. Например, элементов эпизодической или автобиографической памяти у человека и путей распространения информации по такой сети в попытках найти нужную информацию. К этим исследованиям примыкает и исследование языка как сложной сети, то есть изучение языка не с точки зрения локальных характеристик, а с точки зрения глобальных свойств языковой сети.

Перейду сразу к следующему и