Из пушки по воздушным шарикам

Интересующимся работой мозга известен следующий мысленный эксперимент. Человеку заменяют нейрон на искусственный чип, выполняющий ту же функцию. В ответ на входящий импульс чип генерирует электрическую активность, которую выдал бы удаленный нейрон. По всей видимости, подмена одного нейрона не скажется на работоспособности мозга, его возможностях памяти и мышления. Следовательно, можно повторить процедуру. Манипуляцию последовательно проводят со всеми нервными клетками, помещая на их место правильно запрограммированные чипы. В итоге мозг будет состоять целиком из искусственных элементов, обменивающихся сигналами между собой. Для философов данный эксперимент служит поводом поставить ряд важных вопросов о природе сознания.

Физиологи и биоинженеры подходят к проблеме менее глобально, но гораздо более практично: они пытаются выяснить, выполнима ли функция нейрона искусственными средствами в живом мозге. Иначе говоря, возможен ли в действительности нейропротез. Реальные (не мысленные) эксперименты на эту тему имеют не столь долгую историю. Как правило, исследуется деятельность нервных клеток, связанных с моторикой и движением. Однако в этом месяце в журнале Journal of Neural Engineering вышла знаковая статья. Впервые ученым удалось переложить с нейронов на электроды обеспечение когнитивной функции – долговременной памяти.

Исследователи создали способ произвольно включать и выключать память у крыс с помощью мультиэлектродной матрицы. «Щелкните переключатель, и крысы будут запоминать; щелкните обратно, и крысы потеряют эту способность», - с нездоровым блеском в глазах признается первый автор публикации Theodore Berger. Подчеркну, электроды использовались не для разрушения, а для восстановления памяти. Это принципиально важно. Суть эксперимента вкратце: крысы учились нажимать на педаль, основываясь на памяти о прошлом нажатии. Чтобы получить порцию воды, им следовало нажать правую педаль, если до этого они нажимали левую, и наоборот. В голову крысы имплантировали 32 электрода, по 16 с каждой стороны, направляя их в две области гиппокампа, т.н. CA3 и CA1. В процессе обучения и выполнения заданий регистрировалась активность нейронов. Показания обрабатывались на компьютере специальной программой multi-input/multi-output (MIMO), которой авторы очень гордятся и чья предсказательная способность, собственно, проверялась данным экспериментом. На основании входящих сигналов от нейронов CA3 эта MIMO должна была спрогнозировать исходящие сигналы нейронов CA1. Чтобы понять, насколько верно ей это удается, исследователи нарушали связь между этими участками, вводя в гиппокамп крысы блокатор глутаматных NMDA-рецепторов (MK801). После инъекции препарата животные утрачивали способность помнить прошлые действия, и не могли выполнить задачу. И вот тогда ученые включали электроды в режим стимуляции, которые по алгоритму MIMO генерировали спайки вместо молчащих нейронов. Функция памяти возвращалась. Ничего не подозревающие крысы снова могли запоминать.

Таким образом, ученым удалось показать, что искусственный протез может выполнять работу, которая в естественных условиях выполняется нейронами, даже когда речь идет о поддержании когнитивной функции, в данном случае памяти. В дальнейшем подобный эксперимент ученые планируют провести на обезьянах (если им, конечно, позволят). Сложно предвидеть, насколько далеко наука сможет продвинуться в данном вопросе. Тем не менее, первый шаг сделан. И этот шаг исторический.


Theodore W Berger et al (2011) A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory. -- J. Neural Eng. doi: 10.1088/1741-2560/8/4/046017