Текст книги "Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной"

Импланты для памяти: могут ли чипы починить сломанный мозг?

Декодировать сигналы мозга и добраться до наших ощущений и движений – это одно. А что с воспоминаниями? Конечно, это все научная фантастика. Работа Сэма Дедуайлера определенно напоминает сцену из «Матрицы». Как Нео скачивает навыки мастера кунг-фу, так и Дедуайлер подключает мозг крысы к электронике и трансплантирует в ее мозг воспоминания, полученные от 30 крыс, уча ее тому, что она сама никогда не переживала. Исследование могло бы стать значимым открытием – но… «Все считали, что это научная фантастика, – говорит ученый. – Я думал, никто не поверит, пока я не проведу сотню контрольных опытов».

Так он и поступил. И в 2013 году, через десять лет после первого эксперимента, статью наконец опубликовали. Мгновенное кунг-фу все еще остается сценарием голливудских блокбастеров, но исследование может иметь огромное значение для людей с повреждениями мозга. Тот же тип нейронных имплантов, «подаривший» воспоминания многих крыс одной, мог бы восстановить утраченную функцию мозга после аварии, инсульте или болезни Альцгеймера.

У многих людей с потерей памяти поврежденные участки мозга не способны передать информацию от одного участка другому. Если бы удалось создать электронику, которая считывает сигналы одного участка, обходит поврежденные места и передает сигнал во второй участок, люди вернули бы себе способность формировать новые воспоминания и даже открыли бы доступ к драгоценным старым. Такой чип стал бы своего рода объездным путем мозга.

Прийти к этому не просто: подобному импланту требуется нейронаука, которая еще только формируется. Более того, новые технологии затрагивают этические вопросы, когда-то бывшие предметом научной фантастики. Мы – это наши воспоминания, и, вероятно, если избежать их повреждений, наша личность сохранится, – но если память превратилась в компьютерный алгоритм, остаетесь ли вы тем же самым человеком? Скоро придет время узнать: первые опыты с людьми уже на подходе.

Наша способность посылать сообщения в мозг и принимать их из него за последние два десятилетия сильно окрепла (см. даты в конце главы).

Но память тем сложнее, что требует координации между множеством участков мозга. Для перемещения между участками нужно устройство, которое зафиксирует активность одного набора нейронов, а затем при необходимости проиграет ее, стимулируя другой набор нейронов. Нет смысла напоминать, что это сложная задача. «Чтобы сделать когнитивное устройство, мы сначала должны понять, как выглядит память», – говорит Роберт Хэмпсон, работающий над когнитивными имплантами вместе с Дедуайлером в Баптистском медицинском центре Уэйк-Форест, штат Северная Каролина. Поиск следов воспоминаний в мозге осложняется многообразием типов воспоминаний: есть кратковременная «рабочая память», которая помогает вспомнить телефонный номер, прежде чем вы начнете его набирать; сенсорные воспоминания, включающие эхо только что сказанного; и долговременные воспоминания – факты, навыки и опыт. Дедуайлер и Хэмпсон заинтересованы именно в долговременных воспоминаниях.

Хотя следы воспоминаний отличаются, все долговременные воспоминания зарождаются в гиппокампе, «печатном станке» мозга. Поместите сюда имплант – и вы сможете записывать воспоминания по мере их формирования. Следующий шаг – выяснить нейронный код, соответствующий конкретному воспоминанию. Считается, что ключ от кода кроется в точном порядке срабатывания нейронов, например, одна синхронная разрядка нейронов передает вам понятие Эйфелевой башни, а другая, возможно, наслаивающаяся, представляет Париж в целом.

За последние пару десятилетий нейроученые постепенно начали находить способы взламывать этот код. В 1990-х годах Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии предпринял первые шаги, обратившись к системе со многими входами и выходами (Multiple Input, Multiple Output – MIMO). MIMO обычно используют в беспроводных коммуникациях для выделения сигнала среди шумов, и Бергер понял, что тот же принцип применим и для извлечения значимых сигналов из общего шума миллионов работающих нейронов. Поиски не помогли ему расположить к себе скептиков. «Долгое, долгое время люди называли его сумасшедшим», – говорит Эрик Лейтхардт, нейрохирург из Университета Вашингтона в Сент-Льюисе, штат Миссури.

Дело не в том, что другие ученые не видели характерные признаки воспоминаний. Существовали данные, что у людей есть крайне специализированные нейроны, которые разряжаются в ответ на одно понятие, например на бабушку или на Дженнифер Энистон.

Но эти так называемые бабушкины клетки соответствуют ограниченному спектру значений, а Бергер гонялся за способностью кодировать любое воспоминание. Медленно, но верно он показал, что алгоритм MIMO способен сделать это, выделяя конкретный сигнал воспоминания или действия, а затем проигрывая его в точной последовательности.

В своем фундаментальном опыте Бергер – теперь работающий вместе с Дедуайлером и Хэмпсоном – вживил чип с электродами в гиппокамп крыс. Затем ученые применили алгоритм MIMO, чтобы выделить и зафиксировать нейронный код, соответствующий нажатию обученными животными одного или двух рычагов для получения угощения. После введения крысам препарата, лишающего их способности вспомнить, какой рычаг дает угощение, группа с помощью тех же электродов вызвала ту же самую последовательность разрядки нейронов. Несмотря на амнезию, грызуны знали, какой рычаг нажать. Другими словами, алгоритм помог восстановить утраченное воспоминание у крыс.

Это был триумф, показавший, что электроника вскрывает нейронный код и заменяет поврежденные участки мозга – став искусственным гиппокампом, например, при лечении амнезии.

Исследование Дедуайлера подняло один важный вопрос – разный ли у нас нейронный код или существует универсальный язык, общий для всех. Здесь мы возвращаемся к опытам Дедуйлера и Хэмпсона по трансплантации памяти крысам.

Как правило, ученые брали две группы крыс, обученных бегать по двум площадкам и нажимать рычаги в определенной последовательности. Что важно, одна группа была обучена делать паузу в своих действиях – прежде чем нажимать рычаг, они должны были подождать до 30 секунд, – а вторая группа – нет. Столкнувшись с неожиданной задержкой, вторая группа крыс потеряла нить – животные не могли вспомнить, какой рычаг их учили нажимать. Но когда Дедуайлер и Хэмпсон с помощью MIMO записали активность мозга при выполнении задачи у первой группы и проиграли ее второй группе с помощью электродов, крысы начали действовать так, будто прошли альтернативную форму обучения и выбирали правильный рычаг даже после долгой паузы, хотя в предыдущих экспериментах не участвовали. «Наша модель позволяет создать память, которая не использовалась ранее», – говорит Хэмпсон.

Как прочитать мысль

Мы серьезно продвинулись в декодировании значений сигналов мозга. Но прежде чем определить, что они могут означать, нужен сигнал высокой точности. Существует много способов прослушать электрические коммуникации мозга, и все они компромиссные.

Представьте себе вечер на концерте. Неинвазивные электроды на голове слушают оркестр целиком. Вы можете сконцентрироваться только на струнных, применив более инвазивную электрокортикографию, для которой полосы электродов помещаются на поверхность мозга. Но если вы хотите услышать отдельную скрипку, вам придется связаться с конкретными нейронами. Высокая точность требует глубокого проникновения – а здесь присутствует ряд ограничений. Вмешательство может порвать или разрезать окружающие нейроны, и возникнут отеки и шрамы, а иммунитет мозга формирует шрамы, которые не подпускают вторгшийся объект близко. Вскоре электроды уже не смогут считать никакой значимой информации. В результате очень немногие импланты держатся больше года или двух. Чтобы обойти эту проблему, нейроученые разрабатывают новые типы электродов, более совместимые с телом или незаметные для иммунной системы мозга.

Действительно ли модель так хороша? Или успех ученых объясняется какой-то другой причиной? Дедуайлер и Хэмпсон взялись за огромное число контрольных экспериментов, чтобы исключить любое другое объяснение, в том числе вероятность, что это просто случайный продукт электронного щекотания мозга или что электрическая стимуляция вызывает некоторое общее улучшение. Наконец, в декабре 2013 года была опубликована статья – да, поместить общую запись воспоминания в мозг возможно.

Если создать чип для людей, он мог бы содержать готовый код, способствующий повторному изучению общих навыков, таких как чистка зубов или вождение машины – при повреждении мозга эти навыки часто утрачиваются. «Прежде чем нам удастся вернуть к работе человека с повреждением мозга, мы хотим вернуть людям возможность формировать основополагающую декларативную память», – говорит Джастин Санчес, возглавляющий исследование по нейропротезированию в Университете Майами, Флорида.

Дальнейшее развитие, вероятно, позволит нейронным чипам решать более сложные задачи, чем обучение простым навыкам. «Представьте человека, вернувшегося с войны, который не может вспомнить лицо жены», – утверждает Санчес. Для узнавания мозг разбивает человека, место или предмет на характерные признаки – например, цвет волос или рост – и кодирует их по отдельности.

Скопировать этот процесс с помощью MIMO – серьезная задача, которой Дедуайлер и Хэмпсон занялись в последние годы. Они научили макак запоминать расположение и форму картинки на экране, а затем выбирать то же изображение из гораздо большего количества картинок почти через минуту. Все это время через электроды в мозге макак программа записывала нейронные сигналы, которые формировались в префронтальной коре и гиппокампе. Затем обезьянам вводили препарат, лишая их способности формировать новые долговременные воспоминания, и животные вновь выполняли задание. Когда ученые электрически стимулировали нейроны теми же сигналами, которые записали при успешных попытках, обезьяны справлялись гораздо лучше. Введение кода стимулировало гиппокамп и префронтальную кору воспроизводить «правильные» воспоминания.

Что интересно, Дедуайлер и Хэмпсон нашли последовательности, соответствующие не точным изображениям, на которые смотрели обезьяны, а более общим их признакам, например, содержащие голубой цвет или лицо человека. «Мы думаем, именно так устроена память», – говорит Дедуайлер: вместо отдельных нейронных сигналов для каждого человека, места или вещи, с которыми вы сталкиваетесь, мозг разбивает входящую информацию на элементы. «Затем, чтобы вспомнить конкретный предмет, вам не нужно вспоминать его целиком», – говорит он. Предмет помогает воспроизвести сочетание элементов, а не точные детали.

Программе помогла пластичность мозга самих обезьян, предположил Даофень Чень из Национального института здоровья в Бетесде, штат Мэриленд. «Мозг старается встретить компьютер на середине пути, – считает он. – Это адаптивный процесс. Дайте мозгу достаточно информации – даже неидеальной – и он преобразует ее в то, что сочтет полезным».

По мере совершенствования технологии чипы для мозга, содержащие электроды и программы, подобные MIMO, возможно начнут передавать невероятно тонкие детали опыта. Ранульфо Ромо из Университета Мехико показал, что его чипы принимают сигналы, подхватывающие мельчайшие изменения в сенсорном восприятии, например определенную частоту вибраций на коже. В качестве подтверждения он даже использовал опыт по имплантированию входящих ощущений от одной обезьяны в мозг другой, как будто это телепатия. «Обезьяны интегрировали ложные восприятия как собственную рабочую память», – говорит Ромо.

Такое тонкое декодирование сенсорной информации могло бы иметь важные последствия и кроме восстановления данных в памяти. Например, иногда люди теряют способность разговаривать из-за повреждений мозга между областью Вернике и областью Брока. Чип, способный принять эти детальные сенсорные сигналы и транслировать их между двумя участками, мог бы, следовательно, вернуть речь (см. рис. 9.1).

Электронные импланты могли бы помочь людям с повреждениями мозга, записывая нейронные сигналы и проигрывая их в обход поврежденного участка

Рис. 9.1. Восстановление поврежденного мозга

Несмотря на достижения, главная неизвестная величина – это качество экспериментов. «Вы не можете поинтересоваться у животного, как он воспринимает воспоминание», – говорит Санчес. Вскоре все может поменяться. Проект «Восстановление активной памяти» под руководством Санчеса, выполняемый для Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA), пытается расширить исследования на эксперименты с людьми. По предварительным результатам, группа участников определила электрические сигналы простых воспоминаний при их формировании в гиппокампе волонтеров и смогла стимулировать воспоминание точным электрическим импульсом.

После того как волонтеры опробуют и помогут доработать разные виды программ и устройств, прототипы чипов передадут на клиническое тестирование. Такие исследования потребуют одобрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration – FDA) и информированного согласия волонтеров. Если FDA сочтет чип достаточно безопасным, его разрешат выпускать. DARPA надеется использовать полученные импланты для помощи солдатам, возвращающимся с войны с черепно-мозговыми травмами.

Некоторые исследователи-нейроинженеры считают возможным использовать похожие чипы для помощи людям с болезнью Альцгеймера и инсультами, в зависимости от уровня повреждений. Для более серьезных повреждений мозга Хэмпсон предполагает устройство с кнопками, которое надевается на пояс и помогает вспомнить конкретные места и их назначение. «Допустим, я на кухне, мне нужно вспомнить, где лежат приборы, – говорит он. – Пациент нажимает нужную кнопку, и воспоминание всплывает, потому что мы записали его код».

Но изменение памяти вызывает более глубокие вопросы – можно ли так делать? По словам Луиса Бунюэля, которого некоторые считают отцом сюрреализма в кино: «Наша память – это наша последовательность, наш разум, наше чувство, даже наше действие. Без нее мы ничто». Если вы меняете воспоминания искусственно, это все еще вы?

Эксперименты Дедуалера и Хэмпсона над крысами поднимают и другую проблему: ваши воспоминания могут оказаться не только вашими. «Активируйте правильные связи, и вы сгенерируете иллюзию воспоминания», – говорит Ромо. Какие виды контроля гарантируют, что каждая имплантированная память отражает реальность среды именно этого человека? И независимо от того, ваши это воспоминания или нет, искрящиеся нейроны, соответствующие памяти, в конечном итоге приведут, напрямую или нет, к изменению ваших решений – так кто несет ответственность за последствия этих решений?

Есть также вероятность, что подобные чипы вернут события, давно погребенные в памяти. Не все из воспоминаний желательны. Забывать, а не только помнить, – один из главных талантов мозга. Но, возможно, это небольшая цена за новые долгосрочные воспоминания.

Развитие высокотехнологичного мозга: хронология событий

1870

Густав Фрич и Эдуард Гитциг показали, что электрическая стимуляция двигательной коры головного мозга провоцирует движения тела.

1956

Выдан первый патент на имплант сетчатки для восстановления зрения у слепых. Для создания рабочего устройства потребовались десятилетия.

1957

Кохлеарные импланты, передающие звук в мозг, впервые протестированы на человеке, и тест показал, что электроника способна перевести сенсорную информацию на язык мозга.

1996

В правое и левое полушария мозга обезьяны имплантированы электроды, позволяющие ей управлять искусственной рукой.

2004

Волонтер с квадриплегией протестировал Brain-Gate – устройство, встроенное в мозг и позволяющее ему включать свет и переключать каналы телевизора усилием мысли.

2008

Другой волонтер с квадриплегией выполнил сложные движения искусственной рукой, чип в его двигательной коре посылал команды руке.

2010

Электрод, помещенный вглубь мозга, смягчает устойчивую к терапии депрессию.

2011

Множество введенных электродов восстановили память крысы после того, как ее гиппокамп был временно отключен, – доказывая, что метод облегчил бы некоторые формы амнезии.

2012

Протез руки, управляемый двумя имплантами в двигательной коре, позволил 52-летней женщине, парализованной от шеи и ниже, впервые за десять лет поесть самостоятельно.

2014–2015

В ходе проекта DARPA по восстановлению активной памяти волонтерам введены электроды. Результаты позволяют предположить, что можно улучшить воспоминания, стимулируя электроды.

10
Возьмите по максимуму

Человеческий разум обладает множеством полезных конструктивных особенностей, но у него также много и неисправностей со слабостями. Проблема в том, что к нему не прилагается руководство пользователя и приходится просто включать прибор и работать. К счастью, нейронаука может дать несколько чудесных подсказок, как получить от вашего мозга максимум.

Ум: руководство пользователя

Внимание – это фильтр, с помощью которого мозг решает, что подлежит обработке и последующему использованию. Но есть и сложность – в комплект входит способность отвлекаться, и это важная конструктивная особенность.

Проще говоря, у мозга две системы внимания. Первая – система «снизу вверх», она автоматически притягивает внимание к потенциально важной новой информации, в частности к движущимся объектам, неожиданным звукам или ощущению прикосновения. Система быстрая, бессознательная и работает постоянно (по крайней мере, когда вы не спите).

Другая – система «сверху вниз» – это взвешенное направленное внимание, приближающее все, о чем нам надо подумать и, хотелось бы надеяться, удерживающее достаточно долго для выполнения задания. Эта форма внимания полезна при выполнении задач, требующих концентрации, но обычно растрачивает силы и резко прерывается системой «снизу вверх».

Один из способов удерживать внимание – сократить количество отвлекающих моментов «снизу вверх», выключив уведомления электронной почты, поставив телефон на беззвучный режим и так далее. Другой вариант, согласно Нилли Лави, нейробиологу-когнитивисту из Университетского колледжа в Лондоне, – посерьезнее загрузить ваш мозг.

Работа Лави показала, что внимание «сверху вниз» контролируется лучше всего не при сокращении числа входящих сигналов, а при их увеличении. Ее теория нагрузки утверждает, что когда мозг достигает границы сенсорного восприятия, он не в состоянии уже ничего впитать, в том числе отвлекающие моменты.

Поэтому, чтобы задача поглощала больше внимания, можно поместить пустой документ в разноцветную рамку, а участок, с которым вы работаете, сделать, скажем, фиолетовым. Лави говорит, что принцип применим ко всем органам чувств, поэтому полезно выбрать место с шумами на заднем плане.

Согласно более ранним работам, стоит учиться когнитивным навыкам и медитации. Выяснилось, что у тех, кто давно медитирует, участки мозга, связанные со вниманием, более плотные, а другие исследования показали, что после недолгого курса медитации результаты теста на внимательность улучшаются. Поэтому научиться концентрироваться можно, просто найдя время спокойно посидеть и ни на чем не концентрироваться.

Как и внимание, рабочая память – одна из важнейших передовых функций мозга. Все, что вы знаете и помните, будь то событие, навык или увлекательный факт, попало в хранилище, пройдя через рабочую память (см. подробнее в главе 1).

Рабочая память в мозге человека стандартная, но стоит максимально усилить то, что у вас есть. По сравнению с IQ объем рабочей памяти – более точный показатель научного успеха.

Приятно, что систему, скорее всего, можно модернизировать. Согласно ряду исследований, программы тренировки мозга, нацеленные непосредственно на рабочую память, могут ее улучшить, и на рынке даже есть несколько тренировочных систем. Хотя неясно, тренируют ли они что-то, кроме навыка прохождения тестирования на рабочую память.

Когнитивный нейроученый Джейсон Чейн из Университета Темпл в Филадельфии, штат Пенсильвания, изучающий рабочую память, говорит, что есть свидетельства улучшения и других когнитивных навыков, хотя любые изменения довольно малы. «Малый эффект все еще важен в том смысле, что даже самые скромные достижения вносят значительный вклад в повседневные познавательные способности», – говорит он.