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

Сантьяго Рамон – и-Кахаль: мозг как нейронная сеть

Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Нейронные сети коры и гиппокампа.

Рисунки коры больших полушарий (1899) и гиппокампа (1901), окраска по методу Гольджи.

Показаны нейроны, организованные в слои и поля. Стрелками отмечено направление движения информации. Эти изображения делают видимым как клетки соединяются и взаимодействуют друг с другом, образуя упорядоченную нейронную сеть.

В конце XIX века в руках ученых оказались очень схожие микроскопы и методы окраски нервной ткани. Но видели они разное. И Гольджи, и Кахаль изображали нейроны, выявленные одним и тем же методом окрашивания. Однако у Кахаля на дендритах ясно показаны многочисленные шипики, отсутствующие на рисунках Гольджи. Это не означает, что Гольджи не наблюдал этих выростов: просто многие исследователи считали их артефактами окраски.

Но речь шла не о незначительных деталях. Кахаль полагал, что нейроны являются независимыми клетками, а шипики служат точками контакта между ними. Гольджи же был убежден, что клетки мозга образуют посредством слияния аксонов непрерывную сеть – ретикулум. В такой системе активность любой клетки должна распространяться по всей сети. «Конечно, – писал Гольджи, – речь идет не об изолированном действии отдельных клеток, но об одновременной активности обширных групп».

Следствия из этого были далеко идущими. «Нельзя сказать, – заключал он, – чтобы концепция так называемой локализации мозговых функций каким-либо образом подтверждалась результатами анатомических исследований мельчайших структур». Гольджи при этом резко критиковал не только нейронную доктрину, но и персонально Кахаля за то, что тот придерживается столь нелепых взглядов. Это была подлинная драма – драма идей.

И все же в одном исследователи, увидевшие мозг изнутри, сходились единодушно. «Мы видели, – как выразил это Кахаль, – что точное понимание устройства мозга представляет величайший интерес для построения рациональной психологии. Понять мозг, говорили мы, равносильно выяснению материального пути мысли и воли».

Самое поразительное в зарисовках Кахаля – даже не их ясность и артистическая красота, а стрелки, которыми они сопровождаются. Эти маленькие стрелки несут идущую еще от схем Ибн аль-Хайсама и Декарта идею: подобно «духам» прошлого, информация передается по материальным путям нервной системы – но теперь уже в рамках новой всеобъемлющей концепции – гигантской клеточной нейронной сети.

«Подобно энтомологу, ищущему разноцветных бабочек, – писал Кахаль, – мое внимание привлекли сады серого вещества, содержащие клетки нежных и изящных форм, таинственные бабочки души, взмах крыльев которых однажды – кто знает – может раскрыть нам тайны разума».

В 1906 году Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль разделили первую Нобелевскую премию за изучение нервной системы. Шло третье тысячелетие проникновения человека в глубины собственного мозга.

Self-Reflected: мозг, отражающий себя

Грег Данн и Брайан Эдвардс. Self-Reflected.

Нейронная структура человеческого мозга. Техника отражательного микротравления, США, 2016 г.

На гравюре отображены 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека.

На протяжении всей нашей истории мы видели, что мозг издавна привлекал внимание не только ученых, но и художников. Произведение Self-Reflected – уникальное слияние искусства и нейронауки, созданное нейробиологом и художником Грегом Данном в сотрудничестве с физиком Брайаном Эдвардсом. Эта визуализация является крупнейшим в мире художественным изображением человеческого мозга, основанным на реальных данных о его микроструктуре.

На гравюре отображено около 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека. В отличие от традиционных анатомических схем, изображение создано с применением алгоритмов симуляции траектории сигналов в коре головного мозга и белом веществе, включая аксоны, дендриты и синаптические пути. Для его построения авторы специально разработали технику отражательного микротравления (reflective microetching), создающую микрорельефы – тончайшие наклонные гребни, которые меняют угол отражения света в зависимости от положения зрителя и освещения. Гравюра выполнена на 1750 листах тончайшего 22 каратного золота, объединенных в полотно размерами 244×330 см, на котором реконструирован один срез мозга человека в масштабе ×22. Освещение полотна организовано сотнями программируемых светодиодов, подсветка которыми визуализирует путешествия волн сигналов через нейронное пространство мозга. Авторы, работавшие над проектом более двух лет, описывают его словами: «это то, как выглядит ваше сознание».

Реальный мозг взрослого человека содержит примерно 86 млрд нейронов – число того же порядка, что и общее количество когда-либо живших на Земле людей. В коре головного мозга плотность нейронов составляет около 90 тыс. на мм3, а контактов между ними – примерно 700 млн на мм3. Каждый нейрон образует в среднем около 7 000 синапсов, а общее число межнейронных связей в мозге достигает порядка 1014–5×1014 (100–500 трлн). Около 80 % из них приходится на локальные связи, а оставшиеся 20 % – на длинные волокна протяженностью до нескольких десятков сантиметров. Суммарная длина всех отростков нейронов в мозге одного человека оценивается примерно в 850 тыс. км, что равно более чем двадцати оборотам вокруг Земли (~40 тыс. км).

Вся наша вселенная заключена в этом поразительном органе. Его истинную сущность нам еще только предстоит постичь.

Часть II. Главный вектор науки о мозге

(Алтайские диалоги)

Этот раздел книги получился сложным. Диалоги были сложны прежде всего для нас самих. Это был напряженный поиск, в котором мы продвигались на ощупь, без заранее проложенных троп, определяя план следующего разговора каждый раз по итогам предыдущего.

Первый из состоявшихся диалогов мы поначалу вообще забраковали. В нем мы еще не нашли нужный формат беседы, разговор получился слишком извилистым, и мы решили начать следующий разговор с чистого листа. Но потом, проанализировав стенограмму, мы все же включили этот разговор в книгу. Именно он, на наш взгляд, лучше всего показывает то, что обычно скрыто от внешнего глаза, – как авторы, а также и другие ученые, работающие в этой области, разговаривают друг с другом не для публики, наедине. Это часто действительно искания в темноте и движение на ощупь. Как выразился один из нас, такой разговор похож скорее не на чопорную очередь из англичан, а на столпотворение шумных итальянцев. Однако ассоциации, рождающиеся в подобной анархии, могут иногда выводить в неожиданные области и вести к новым интересным идеям.

Остальные диалоги имеют этот же отпечаток исканий. В них мы не раз возвращаемся к одним и тем же вопросам и мыслям, повторяя их вновь и вновь в разном контексте. Хотя стенограммы бесед были нами отредактированы, такого рода повторения мы решили не удалять, считая,