Подробная карта синапсов мозга приоткрыла завесу над загадкой мышления

20 Августа 2018 в 10:00, Илья Хель 9 101 просмотр 22

Представьте карту с каждой звездой в галактике. Карту настолько подробную, что на ней указано, как выглядит каждая звезда, из чего состоит, с какой другой звездой связана великими законами физики космоса. Хотя мы пока не имеет такой астрономической карты небес, благодаря монументальному исследованию, опубликованному на прошлой неделе в Neuron, у нас появилась подобная карта мозга.

Если бы каждый нейрон был галактикой, синапсы — небольшие структуры, точками рассыпаные вдоль змеевидных продолжений нейронов — это звезды. Группа ученых из Эдинбургского университета в Великобритании построила первую подробную карту каждого синапса в мозге мыши.

Карта мозга: ключ к загадке мышления

Используя генетически модифицированных мышей, ученые буквально заставляли каждый синапс загораться под флуоресцентным светом по всему мозгу, будто звезды на небе. И, подобно тому, как звезды отличаются одна от другой, ученые обнаружили, что и синапсы очень разнообразны, однако соблюдаются закономерности, которые могут поддерживать работу памяти и мышления.

«В человеческом мозгу больше синапсов, чем звезд в галактике. Мозг — самый сложный объект, известный нам, и понимание его соединений на таком уровне будет важным шагом вперед в раскрытии его загадок», говорит ведущий автор работы доктор Сет Грант из Центра клинических наук о мозге.

Подробные карты показали фундаментальный закон активности мозга. С помощью машинного обучения команда ученых разделила примерно один миллиард синапсов по всему мозгу на 37 категорий по типу. Вот ведь в чем суть: когда наборы нейронов получают электрическую информацию, например, выбирая между различными решениями проблемы, уникальные подтипы синапсов, разбросанные среди разных нейронов, единодушно искрятся активностью.

Другими словами, синапсы бывают разных типов. И каждый тип может контролировать мысль, решение или воспоминание.

Неудивительно, что нейробиологи отреагировали на работу весьма положительно.

«Вау», прокомментировал Бен Сандерс из Университета Миннесоты.

Это «удивительная статья, каталогизирующая разнообразие и распределение подтипов синапса по всему мозгу мыши», пишет нейрогенетик Кевин Митчелл. Это «подчеркивает тот факт, что синапсы — это ключевые вычислительные элементы нервной системы».

Соединение коннектомы

Интерес ученых в создании «синаптомы» — первого цельного каталога синапсов в мозге мыши — вышел из гораздо большего проекта: коннектомы.

Если коротко, коннектома — это все нейронные соединения внутри вас. Как говорит доктор Себастьян Сьюнг, коннектома — это биологический базис того, кто вы есть — ваших воспоминаний, личности, ваших мыслей и рассуждений. Поймайте коннектому — и однажды ученые смогут вас восстановить при помощи эмуляции целого мозга.


И все же, коннектома описывает только то, как нейроны функционально разговаривают друг с другом. Где в мозге это закодировано физически.

Здесь в игру вступают синапсы. Нейробиологам давно известно, что синапсы передают информацию между нейронами, используя химические вещества и электричество. Были также намеки на то, что синапсы сильно разнятся в зависимости от белков, которые содержат, но это различие обыкновенно игнорировали. До недавних пор, большинство ученых считали, что реальные расчеты происходят в нейронном теле — луковичной части нейрона, из которого выходят ответвления.

До сих пор не было никакого способа взглянуть на морфологию и функцию синапсов по всему мозгу, объясняют авторы работы. Обычно мы были сосредоточены на сопоставлении этих важных точек соединения в небольших областях.

«Карту синаптомы можно использовать для того, чтобы понять, связано ли пространственное распределение синапсов с архитектурой коннектомы», считают ученые.

И если да, будущие эмуляторы мозга найдут, наконец, точку опоры.

Карта синаптомы

Чтобы построить синаптому мыши, авторы разработали план под названием SYNMAP. Они начали с генетически модифицированных мышей, у которых синапсы светились разными цветами. Каждый синапс плотно укомплектован разными белками, среди которых PSD-95 и SAP102 — самые известные господа. Не пугайтесь названий. Авторы добавили к ним светящиеся белки, которые выступали в роли фонариков, подсвечивающих каждый синапс в мозгу.

В общем, сначала ученые изменили биологию мыши, заставив ее синапсы светиться под флуоресцентным светом.

Затем они кропотливо нарезали мозг на кусочки, использовали микроскоп для съемки синапсов в разных областях мозга и собрали фотографии вместе.

Изображение синапсов напоминает неопытному глазу плотно упакованную звездную карту — вроде той, что заснял «Хаббл» недавно. Категоризация каждого синапса выходит за рамки способностей (и времени) любого человека, поэтому ученые использовали новые методы классификации при помощи машинного обучения и разработали алгоритм, который парсит эти данные — более 10 терабайтов — автоматически, не нуждаясь в надзоре.

Физическая коннектома

Сперва ученых поразили «выразительные схемы» сияющих синапсов. Один помеченный белок — PSD-95 — казалось, тусовался в более удаленных от центра частях мозга, где протекают высшие когнитивные функции. Хотя области перекрываются, другой светящийся белок предпочел больше внутренних областей мозга.

При ближайшем рассмотрении выяснилось, что два светящихся белка представляют разные наборы синапсов, объяснили авторы. Каждая область мозга имеет характерную «сигнатуру синаптомы». Подобно отпечаткам пальцев, которые отличаются формой и размером, разные области мозга, похоже, содержат синапсы, отличающиеся по составу белка, размеру и численности.

Используя специально разработанный алгоритм машинного обучения, ученые классифицировали синапсы на 37 подтипов. Что примечательно, области мозга, связанные с более высокими способностями рассуждения и мышления, также содержали самую разнообразную популяцию синапсов, в то время как «области мозга рептилий», были более однородными в содержании синапсов.

Чтобы увидеть, помогает ли разнообразие синапсов в обработке информации, ученые применили компьютерное моделирование, показывающее, как синапсы отвечают на обычные электрические схемы в гиппокампе — области мозга, важной для обучения и памяти. Гиппокамп — это одна из областей, которые демонстрируют поразительное разнообразие в подтипах синапсов.

Что важно, каждый тип обработки электрической информации передается в уникальную карту синаптомы — измените ввод, изменится синаптома.

Это предполагает, что мозг может обрабатывать множественную электрическую информацию, используя одну область мозга, потому что задействуются различные синаптомы.

Ученые обнаружили аналогичные результаты, когда записывали электрические схемы мозга мышей, пытающихся выбрать между тремя вариантами награды. Различные синаптомы зажигались, когда выбор был правильным или неправильным. Подобно карте внутреннего мышления, синаптомы рисовала яркую картину того, о чем думала мышь, делая выбор.

Каждое поведение активирует отдельную синаптому. Каждая синаптома — это уникальный слепок мыслительного процесса.

Перепрограммирование синаптомы

Как и компьютерный код, синаптома, по всей видимости, лежит в основе вычислительного результата — решения или мысли. Что, если изменить этот код?

Психиатрические заболевания зачастую имеют генетические причины, влияющие на белки в синапсе. Используя мышей, которые демонстрировали симптомы, схожие с шизофренией или аутизмом, ученые составили карты их синаптом — и обнаружили кардинальные изменения в том, как структурируются и соединяются различные подтипы синапсов в мозге.

Например, в ответ на обычные электрические схемы мозга, некоторые синаптические карты проявлялись слабо, другие же становились аномально сильными у мутантных мышей. Мутации могут менять синаптому и потенциально ведут к психиатрическим расстройствам. То есть, некоторые психиатрические заболевания «перепрограммируют» синаптому. Более сильные или просто новые карты синаптомы могут быть причиной того, что пациенты с шизофренией испытывают заблуждения и галлюцинации.

Значит вы — это ваша синаптома?

Возможно. Суть вас — воспоминания, мысли — похоже, запечатлевается в том, как активируются различные синапсы в ответ на ввод. Словно по отпечатку пальца, синаптому можно было бы прочитать, чтобы расшифровать, о чем вы думаете. Однако это исследование — только начало. Нейробиологам еще предстоит проанализировать сложные связи между синапсами и вами.

«Эта карта открывает множество новых направлений исследований, которые должны трансформировать наше понимание поведения и болезней мозга», говорит Грант.

Подробная карта синапсов мозга приоткрыла завесу над загадкой мышления
Метки: , .

22 комментария

  1. botan

    Это круть! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  2. fokas.pokas

    Будет новое поколение ии? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  3. Singleton

    Наука сделала ещё один шаг к тому, чтобы научиться оживлять мёртвых.

    • Timon

      Singleton, главное мозг оставить невредимым)

      • Pressman

        Timon, “Затем они кропотливо нарезали мозг на кусочки,..” :D (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • p1glet

        Timon, Либо научится сканировать коннектомы in vivo - и тогда ты сможешь в любой момент своей жизни "нажать F5" и вернуться в этот момент либо в цифровой имитации, либо (если научимся) загружать сохранку прямо в мозг и переживать момент снова :)

    • Cheloveck

      Singleton, Только вот воспоминания мертвого, но физически это уже не он. И возникает трудный философский вопрос - так кто же он? С одной стороны его воспоминания, но с другой не его носитель, т.е. биологически тот человек мертв. Поэтому мы видим тут физическое раздвоение личности (и если сделать клонирование мозгов, то даже разтроение, разчетвернение и т.д.). Представьте что вам здоровому молодому человеку предоставилась возможность бесплатного переноса ваших воспоминаний в компьютер или в другой мозг, т.е. фактически вам предложили ментальное бессмертие, но при условии что ваш оригинал будет уничтожен - биологическая смерть. Согласитесь ли вы, даже будучи уверенным что данная технология 100% работает?

      • PROVOCATOR

        Cheloveck, Не соглашусь с предположением о раздвоении. Донорский организм не должен иметь своих собственных личностей до попадания туда вашей. После переноса, приходя в себя, организм произведёт свою собственную "калибровку систем".
        Так же, человек, вышедщий из комы, не страдает расстройством на базе того, что тело не соответствует предыдущим своим параметрам.
        Ответ на вопрос - однозначно, да. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • Cheloveck

          PROVOCATOR, Я имею ввиду что можно сделать несколько ваших копий с идентичными воспоминаниями и каждый из них будет жить своей собственной жизнью и чем больше пройдет времени, тем сильнее они будут отличаться друг от друга, ведь с течением времени ваши копии будут иметь разный опыт, жить в разных местах, общаться с другими людьми. И у меня вопрос, кто именно вы? А вас нет, вы уже мертвы, а есть только ваши копии которые кстати если им не сказать что есть другие копии будут думать, что каждый из них и есть тот самый единственный настоящий. Это прям как в фильме Шестой день с Шварценеггером в главной роли.

          • PROVOCATOR

            Cheloveck, Близнецы обладают практически идентичным изначальным опытом, и сами не могут отличить кто из них изображён на фотографии, но не страдают из-за этого шизофренией.
            Для сознания имеет значение только его субъективный опыт. Всё остальное, вроде тела, и окружающей среды, это ерунда.

            Вы бы расстроились если бы в вашей памяти хранились реальные воспоминания вашего участия в куликовской битве или(и) о полёте в космос, но при этом вы бы знали, что эти события произошли с вашим предыдущим телом, а не с настоящим?
            А если бы вас попытались убедить, что так как это было с другим телом, то и эти события не по-настоящему в вашей памяти и вы всё это придумали, это бы уменьшило бы для вас ценность этих воспоминаний?
            Если бы вы могли сегодня спрятать клад, а через 500 лет, сменив пару десятков тел, прийти и достать его по памяти, это вас бы смутило? Считали ли бы вы, что это не вы прятали клад, а кто-то другой, а память, это не память, а чёрт знает что? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

        • KADZE

          PROVOCATOR, И почему ответ на вопрос «однозначно, да»? Ведь вы не будете ощущать это «копирование», как перевоплощение себя, а просто понятия еще один человек, считающий себя самостоятельной личностью. Не будет какой-то связи. Вы либо получите брата близнеца, сперва с идентичными взглядами, а с течением времени, все более разными, либо это вообще случится некоторый конфликт, так как, по моему мнению, видеть свой клон, это как быть в чем-то обварованным. Этот второй человек знает о тебе все и даже мысли, и прошлый опыт.

          Так в чем польза или преимущество?

          Может в таком копировании гениев, вроде Энштейна, но точно не в копировании простых людей, польза для человечества от которых не велика, и сам человек легко заменим.

          Ну а в худшем варианте, вы умеете, когда ваш мозг «мелко нарежут». А будет жить, другой, НОВЫЙ человек с вашим опытом и знаниями. Но обрадовать вы его будите, как другого человека.

          Даже цифровое копирование лично вас не избавит от смерти. С вас будет снята копирка, возможно будет что-то думать и говорить, но лично Вы, постепенно состаритесь и умрёте.

          Так в чем Вам польза? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • PROVOCATOR

            KADZE, Субъективно для этого человека, он - это я. Он помнит как я(или он) Х времени назад подключился к аппарату для переноса сознания, помнит как и почему пришёл к такому решению, помнит как выращивали или подбирали его(моё) новое тело. И когда я(он) вновь открыл глаза, это были молодые глаза нового тела. А старое - в утиль. Никакой шизофрении, субъективно для него, он является мной в новом теле. И воспринимать себя будет именно так. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

            • KADZE

              PROVOCATOR, И тем не менее, Вы о нем говорите в третьем лице, говоря «он», субъективно для «него», и т.д., то есть это не вы, а другой человек. Да, ОН будет вам благодарен, за такое продление жизни, но я думаю это не долго продлится. Скоро ОН осознает, что это было ЕГО решение продлить СЕБЕ жизнь, а ВЫ просто ЕГО старое тело. Как вы сами написали - в утиль.

              Печально, что ВЫ будите смотреть на нового СЕБЯ, и постепенно стареть, болеть и умирать. Но радости от этого не будет, ведь ВЫ хотели продлить жизнь СЕБЕ, а не ЕМУ. Но вы умеете.

              Мне кажется в такой последовательности много неестественного, и самого главное нет того результата, на который все рассчитывают. Нет бессмертия. Живет ваша копия, и не важно цифровая или биологическая, а вы все равно умираете.

              Куда все лучше в отношении детей. У меня сыну 8 лет. Я вижу, что это «пластилин», из которого можно сделать любого человека, если не лениться. Можно заложить нужные взгляды, отношения, понимания. Этот человек искренне благодарен за свою жизнь, и в своих детях есть какое-то успокоение, которое трудно объяснить. Больше всего мне близка в этом смысле китайская пословица - «мужчина решивший сына - бессмертен». Странным образом она идеально передает это ощущение или понимание. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

              • PROVOCATOR

                KADZE, Лучше всего сразу переносить деструктивным образом. То есть, уничтожая оригинал в процессе переноса.
                Можно заблаговременно запостить своего нового автара в соцсеть, чтобы у друзей и знакомых не возникало проблем.
                Этот новый я придёт и сядет на своё рабочее место и без проблем вернётся к тому на чём остановился за день до этого. Придёт домой и будет так же любить жену и детей.
                Для окружающих это дело привычки.
                Подумайте, будут ли люди сильно переживать когда такое явление станет обычным?
                Мы же не переживаем когда на автарке в фейсбуке кошечка сменяется зайчиком. Человек за аватаром остаётся тем же.
                Распределение на "он" и "я" я сделал умышлено. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                • KADZE

                  PROVOCATOR, Вы правы, что для окружающих мало что изменится, но они другие люди. Вы правы, что вашей КОПИИ тоже будет мало разницы, но... Сами вы умрёте.

                  Вы не просто сделали распределение на «я» и «он» умышленно, потому что до факт. По другому сказать будет не правильно. Ведь с точки зрения человека, пришедшего в лабораторию, и с сползания которого сняли копию и заложили в другое тело, это ТЕЛО встало и начало жить вашей жизнь. Нельзя сказать «я встал», когда реально вы сидите в соседнем кресле и ждете смертельную инъекцию, согласно вашему «деструктивному методу». Думаю согласитесь. И так, вы получаете укол, разум мутнится и вы умираете.... А копия живет. Пусть ОНА и думает, что она это ВЫ, но вы так вряд ли думаете, ведь вы мертвы.

                  Лично я считаю, что наша личность, это часть нашего тела. Если только не продлевать жизнь тела, то любое другое копирование личности, не более чем создание копии, но для оригинала, пытающегося избежать смерти, задача не выполняется, ведь он все же умирает.

                  И так, я вернусь к своему первому вопросу, на который пока не увидел ответа - так в чем Вам польза от такого копирования?

                  (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                  • PROVOCATOR

                    KADZE, Для начала отвечу на вопрос.
                    Для самого субъекта польза состоит в длительной непрерывной личной памяти. Для общества, сохранение опытной личности, отсутствие процесса обучения, как часть круговорота жизни. Живи Леонардо Да Винчи сегодня - он мог бы полностью реализовать свой потенциал. Живи все неограничено долго - каждый мог бы стать Леонардо.
                    А теперь мой вопрос. Засыпая и просыпаясь вы остаётесь тем же человеком. Но при этом вы не знаете что лично с вами происходит в течении этого времени. Вы разрываете протяжённость реальных событий. И если засыпая вы были бы в одном теле, а проснувшись в другом(каждый день), сильно ли вы беспокоились бы о том, что стало с предыдущим?
                    И ещё один момент для размышлений: ни одна клетка вашего организма не являлась его частью при рождении. Так в чём разница?
                    Ладно, ещё один: если бы вы переносились из одного тела в другое в, скажем так, "сознательном состоянии", ощущая сам процесс переноса, как будто на лифте едете, это облегчило бы ваш перенос и дало ли бы понимание того, что именно "вы перенеслись в новое тело", а не "вы умерли, а ваша копия живёт"? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                    • KADZE

                      PROVOCATOR, Прямой перенос "в лифте" конечно сильно меняет этот процесс, но боюсь это не реально, так как сознание не вынимается из тела, а копируется.

                      Как я сказал в самом начале, такое копирование было бы полезно для общества только с точки зрения сохранения разума великих умов, но далеко не всех подряд.

                      Так же совершенно не соглашусь с тем, что "все станут Леонардо". Большинство психологов и философов сходятся на том, что именно конечность человеческой жизни многих мотивирует на стремление сделать как можно больше, узнать как можно больше и т.д. Так вот они сходятся на том, что практически любая "бессмертия" будет способствовать разложению общества. Люди будут посвящать больше времени удовольствию, чем каким либо достижениям. Даже рождение детей сильно сократиться.

                      Еще один аргумент против "вечного перерождения", это обычное для людей "становление" сознания, когда после 40, когда люди вроде еще достаточно молоды, они становятся крайне консервативными и сперва с трудом принимают новое, а чем дальше, тем больше противятся новому. Это крайне плохо влияет на прогресс. Просто представьте, что средневековые феодалы жили бы до сих пор. Не уверен, что демократия и общество в том виде, которое есть сейчас, получилось бы. Либо даже если получилось, то намного медленнее.

                      Если представить общество в виде организма, а люди это его клетки, и я считаю такую параллель очень общественной, то люди, которые стремятся жить вечно, очень похожи на раковые клетки. И если подумать, то их действие на общество будет таким же разрушительным. Люди, которые во что бы то ни стало, хотят прожить свою жизнь, не будут ценить жизнь других. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                      • PROVOCATOR

                        KADZE, У вас сложилось определенное отношение и вы стараетесь быть ему верны? Наверное вы относитесь к описанной вами консервативной категории "за 40". Шучу :)

                        На счёт "большинства" психологов, которые "сошлись во мнении", я бы на вашем месте с такими заявлениями не выступал. Психология - не точная наука.

                        Проблема "обновления базы данных" для людей старше определённого возраста, на мой взгляд, скорее вытекает из обречённости и понимания что за оставшиеся 20-30 лет в новой отрасли карьеры не сделать. А при неограниченной длительности жизни можно было бы ввести, скажем, обязательную тысячелетнюю програму среднего образования, в какой-нибудь ненавязчивой форме(бонусной, например).

                        Общество вырабатывает свои нормы исходя из условий. Даже разобравшись с делением ядра атома, мы, как видите, всё ещё не вымерли. Поговорили, пообсуждали, помахали палками и... договорились о том, как нам теперь себя вести.

                        Думаю, что с вечной жизнью будет примерно так же. А снижение рождаемости или другие аспекты - это не аргумент. Такие аспеуты просто изменят наше общество, но точно не убьют. Вопрос выживания общества всегда стоит очень остро(даже если в прайм-тайм об этом ничего не говорят :) ).

                        Все наши представления об обществе и сравнения его с теми или иными существующими системами(организмами) - это скорее психологическая защита. Привести непонятное и необъятное к определённой форме. И эти сравнения менялись, пусть и не так скоро. Меняется и наша психология. И отношение к окружающим. И к себе.

                        Поэтому, более разумно было бы обсуждать перенос сознания в субъективном ключе, а не как это повлияет на общество. Если достаточное количество субъектов заинтересуются таким способом продления жизни, то его будут использовать, а затем уже и правила использования придумают.

                        Хотелось бы узнать ваш ответ на счёт "лифта", но при наличие ещё одного фактора. Воспользовались ли бы вы этой возможностью, если бы в мире была распространена такая практика(к примеру, 1 000 000 человек прошли процедуру; из них 999 900 - успешно), и, при этом, эту процедуру успешно прошли 3 ваших знакомых(предположим, что вы олигарх и у вас высокий процент таких знакомых :) )? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  4. Niko Ar

    Автору следует корректно употреблять термины. Заболевания бывают психическими, а не психиатрическими. Психиатрическое – относящееся к психиатрии, т.е. к разделу медицины, изучающей психические заболевания и их лечение (например, психиатрическая больница).

  5. kirfoton

    "Нейробиологам еще предстоит проанализировать сложные связи между синапсами и вами."

    И вами... и кто же это "мы" - интересный вопрос ? То есть тайна " Я " еще не раскрыта...

  6. Niko Ar

    Медицине неизвестны "психиатрические заболевания", а только психические.
    В статье допущена безграмотность.

  7. alena.aa

    Ого (отправлено из приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.