Александр Гордон
Диалоги (декабрь 2003 г.)
Эгоизм и альтруизм нейрона
02.12.03
(хр.00:44:50)
Участники:
Анохин Константин Владимирович – член-корреспондент РАМН
Александров Юрий Иосифович – профессор, доктор психологических наук
Александр Гордон: …Звучит так, как будто нейрон – это некий отдельный живой организм, который обладает индивидуальностью. Тем не менее, мы знаем, что это всего-навсего («всего-навсего» в кавычках, конечно) клетка головного мозга. В чем подвох такого названия?
Константин Анохин: Мы хотим поговорить в этой передаче о нейроне как о клетке, имеющей свою «внутреннюю жизнь» и свои собственные «интересы». Мы хотим обсудить то, по каким принципам работает одна такая клетка и как работают коллективы из таких нервных клеток. То есть как, в конечном счете, работает целый мозг.
Для того чтобы серьезно обсуждать эту тему, нам нужно найти такой мост, который, с одной стороны, начинался бы от биологии отдельной нервной клетки, а с другой стороны, не терял бы ее места в функциях целого мозга, в осуществлении мозгом психических процессов.
В науках о мозге такой экспериментальный феномен известен. Он получил название «поведенческой» или «когнитивной» специализации нервных клеток.
Этот феномен состоит в том, что клетки в мозге, так же как и люди в человеческом сообществе, имеют разные профессии. Представьте себе, например, что в некоей стране возникла какая-то глобальная проблема, скажем, разразилась война. Даже в такой критической ситуации не все люди, живущие в этой стране, станут заниматься решением этой проблемы. А те, кто станут, будут делать это в соответствии со своими навыками, профессиями. Нейроны также имеют такие профессии в решении задач целого организма. Это было впервые обнаружено, когда удалось зарегистрировать активность отдельных нервных клеток тонкими электродами в мозге у бодрствующих животных и у человека во время нейрохирургических операций.
И мы хотели начать с короткого видеофрагмента, где показано, как это выглядит в реальном эксперименте.
Юрий Александров: Вы сейчас увидите пример того, как с помощью стеклянных электродов, которые вводятся в мозг животного, регистрируется активность отдельных клеток – нейронов во время осуществления этим животным инструментального пищедобывательного поведения. Вы увидите, как кролик, свободно передвигаясь в экспериментальной камере, нажимает на педаль. При нажатии на эту педаль ему автоматически подается кормушка, в которой находится порция пищи. В камере есть две педали и две кормушки. При нажатии на педаль, расположенную с одной стороны камеры, с левой, подается левая кормушка. При нажатии на педаль, которая справа, подается правая кормушка. И последнее, что надо сказать перед тем, как вы этот фрагмент увидите, что вы услышите, как работает мозг. Вы услышите импульсацию отдельной клетки мозга. Нейрон разряжается электрическими импульсами. И каждый из этих импульсов звучит потому, что мы подаем их после усиления на динамик. Когда нейрон активируется, т.е. сразу, за короткое время дает много импульсов, которые называются импульсной «пачкой», вы будете слышать характерный треск, соответствующий появлению пачки.
Давайте посмотрим. Вы видите, как кролик подходит к педали, и при этом нейрон активируется. Слышите? Это активация в поведенческом акте подхода к педали. И она появляется только в этом поведенческом акте. Когда кролик подходит к другой педали, расположенной у противоположной стенки экспериментальной камеры, активации нет. На следующем фрагменте, который вы сейчас увидите, та же экспериментальная камера, но в ней вместо двух педалей расположены два кольца. Регистрируется активность другого нейрона. Когда животное подходит к кольцу, чтобы его дернуть, нейрон активируется.
К.А. Дернув за кольцо, кролик получает корм в кормушке.
Ю.А. Слышите, активация данного нейрона четко связана с актом подхода к кольцу. Сейчас вы увидите, как животное перейдет на другую сторону экспериментальной камеры и там активации не будет. Активация наблюдается только на одной стороны камеры и только в одном поведенческом акте. Сейчас будет, я надеюсь, этот переход.
К.А. А кролик этому поведению обучался. То есть, это часть его индивидуального, присущего только ему субъективного опыта. Который, как мы видим по работе нейронов, организован очень избирательно. Могло бы показаться, какая разница, что два кольца, все равно это один и тот же объект. Но нервные клетки мозга кролика показывают, что для животного это не так.
Ю.А. Сейчас Костя очень важную вещь сказал. Основываясь на данных наблюдения за активностью нейронов, мы можем понять, на какие «куски» делят мир животные. Как бы посмотреть глазами животного на мир. Заметьте, что если сравнить данные, полученные при анализе активности нейронов животных разного вида, можно выяснить, чем различаются их миры.
А.Г. А сейчас он у другого кольца. И никакой активации.
Ю.А. Активации нет, есть лишь одиночные, редкие разряды, которые называются фоновыми. Теперь, пожалуйста, следующую картинку. На этой картинке я быстро покажу, как выглядит импульсация нейрона, которую вы только что слышали, при специальной статистической обработке. Видна активация нейрона. Эта активация видна на том фрагменте, где написано «правая сторона». Этот нейрон активируется, когда животное подходит и нажимает на педаль, расположенную у правой стенки экспериментальной камеры.
А.Г. То есть, мы сейчас видим то, что слышали.
Ю.А. А с левой стороны камеры активации нет. Кроме того, видно, что когда при регистрации одного и того же нейрона педаль заменили на кольцо, то при подходе к кольцу и его потягивании активации нет. Опять поставили педаль вместо кольца, и активация вновь появилась. Активация здесь выглядит как черный холмик.
А.Г. То есть, этот нейрон отвечает только за педаль с правой стороны.
Ю.А. Верно, он отвечает, грубо говоря, за педаль с правой стороны. И следующую картинку, пожалуйста. На ней демонстрируется нейрон, который отвечает за кольцо с левой стороны.
А.Г. И на педаль не реагирует.
Ю.А. С правой стороны у этого нейрона активации нет, а с левой стороны он активен, когда педаль заменили на кольцо. Затем, видите, красная надпись – педаль. Активации нет. А потом опять ставят кольцо, и появляется активация. Черные черточки – это как раз те разряды нейрона, которые мы слышали при демонстрации видеофильма. А теперь, может быть, рассказать о подобных данных существующих?
К.А. Я бы еще только добавил, что хотя мы каждый раз видим лишь один нейрон, но, вообще-то говоря, это не один нейрон в мозге ведет себя таким образом. Всегда существует группа, команда нейронов, разбросанных по разным структурам мозга, которые будут практически неотличимы по данным такой регистрации. Одни будут нейронами левой педали, другие – правой педали. Одни одной кормушки, другие другой кормушки.
А.Г. То есть группа клеток отвечает за это.
К.А. Да, целая команда. Поэтому, когда мы видим одну такую клетку, то знаем, что на самом деле в мозге работает целая система таких клеток. И в следующий раз в мозге этого животного мы найдем другую специализированную таким же образом нервную клетку.
Ю.А. Мы считаем, что, регистрируя импульсы одной клетки, мы можем судить о работе группы клеток, выполняющих сходную роль в обеспечении поведения. То есть, активация одной клетки является показателем работы целой группы.
К.А. Одна, она не могла бы осуществить это поведение.
Ю.А. Я бы хотел еще добавить, что данные, которые я показывал, получены в нашей лаборатории Р.Г. Аверкиным, Ю.В. Гринченко и А.А. Созиновым.
К.А. А вообще подобных данных очень много. Они показывают, что мозг у самых разных организмов, от беспозвоночных до человека, работает по этому принципу. И вы сейчас услышали, как «разговаривают» эти нейроны.
Это вообще очень захватывающее чувство, увидеть и услышать, как и когда в поведении работают отдельные клетки мозга. В 70-х годах прошлого века многие нейрофизиологи увлеклись исследованиями того, как работают клетки в бодрствующем мозге. Рэнк-младший (Ranck) нашел, например, нейроны «зеленого крокодильчика». Он регистрировал нейроны в мозге у крысы, которую он пускал в лабиринт, где находились разные предметы. Была там и игрушка маленького зеленого крокодильчика. И он нашел в мозге нейроны, специализированные только относительно контактов крысы с этой игрушкой. А примерно в это же время в 1971-м году Джон О’Киф (John O’Keefe) и Достровский регистрировали нейроны у крыс в структуре мозга, которая называется гиппокампом. Выпуская животных в открытую арену, они обнаружили, что некоторые нейроны работают лишь в определенных местах пространства. Причем, не важно, как движется животное через это место. На следующем рисунке показан один из таких нейронов и его разряды при передвижении крысы по арене. На левом рисунке траектория передвижения животного идет сверху вниз, и красными точками показано, когда именно работает нейрон. Он работает только в одном месте. В другой раз, как показано на правом рисунке, животное проходит через это же место в совершенно ином направлении. Но когда оно туда попадает, этот нейрон опять начинает разряжаться. Более того, экспериментатор может даже взять животное и пронести рукой над этим местом. И этот нейрон будет снова работать.
Позже выяснилось, что животное ориентируется по неким окружающим признакам в среде, например по обстановке комнаты, где расположена арена. И если окружающие арену ориентиры повернуть, то, хотя сама арена никак не поменяется, места работы нейронов в арене сдвинутся вслед за поворотом…
А.Г. Они привязаны к ориентирам.
К.А. Да. И поэтому О’Киф написал с Линн Надел (Lynn Nadel) в 1978-м году нашумевшую книгу «Гиппокамп как когнитивная карта» («Hippocampus as a cognitive map»), обосновывая в ней, что эти специализированные нейроны в совокупности образуют в мозге животных, в том числе и человека, пространственную когнитивную карту.
Вот еще несколько примеров поведенческих специализаций нейронов. В коре головного мозга у обезьян существуют нейроны, которые избирательно активируются при показе им фотографий других обезьян. На следующем рисунке из работы американского физиолога Чарльза Гросса (Charles Gross) полоской отмечен момент, когда обезьяне показывали фотографию другой обезьяны. Вы видите, что отображенный на рисунке нейрон при этом активируется. А если исказить изображение, или заслонить существенные для социальных коммуникаций элементы лица, такие как рот, то активность этого специализированного нейрона будет гораздо меньше. На другой половине рисунка можно также увидеть, что этот нейрон (на самом деле, не он один, а целая команда, к которой он принадлежит) обладает способностью к весьма сложной когнитивной категоризации. Для него самый сильный объект, на который он активируется, это обезьяна. Но фотография бородатого человека тоже вызывает его активность. Однако показ другой части тела человека, руки, не вызывает. То есть этот нейрон, или вернее, система, в которую он входит, «классифицирует» объекты внешнего мира в соответствии с их сложными биологическими признаками.
«Нейроны лиц» есть не только у обезьян на лица обезьян. Есть они, например, и у овец на «лица» овец. Это известные опыты английских нейрофизиологов Кендрика и Болдуина (K. Kendrick, B. Baldwin). Они показывали овцам фотографии либо других овец, либо человека и собаки. И на верхнем графике видно, что есть группы нейронов, которые активируются при показе фотографий один, два, три, четыре, пять, шесть. Это овцы и бараны. Средний рисунок, это особая фотография овец, именно той породы, в стаде с которыми жили экспериментальные овцы. И есть нервные клетки, активирующиеся только при показе этих фотографий. И, наконец, есть нейроны, которых «не интересуют» фотографии овец, но они активируются, когда показывают фотографии человека и пастушьей собаки, причем они помещают их в одну категорию. Для этих нервных клеток пастушья собака и человек являются, видимо, биологически чем-то одним и тем же.
Наверху на этом же слайде показана картинка овцы анфас, и видно, что когда овца с фотографии прямо смотрит на экспериментальную овцу, то активность таких специализированных нейронов выше всего. Когда же овца на фотографии «отворачивается» и показана в профиль или с затылка, а это социально менее значимая ситуация, то эти нейроны не так активны.
Такие же «нейроны лиц» есть и у человека. Их обнаруживают в мозге людей во время нейрохирургических операций, требующих вживления человеку тонких микроэлектродов, с помощью которых можно попутно регистрировать активность нервных клеток.
И вы здесь видите, как работает нейрон в мозге человека, когда ему показывают фотографию лица Била Клинтона. Видно, что данный нейрон активируется избирательно при появлении этого лица, то есть он «узнает» Била Клинтона.
В действительности же таких специализаций существует огромное количество, и на следующем рисунке из работы группы Кристофа Коха (Сhristof Koch) из США видно, что человеку показывали самые разные категории объектов – лица, предметы, сцены, автомобили, животных, фракталы и так далее. И для примера на правой части картинки показан нейрон, который работает, только когда человек видит животных. А во всех остальных случаях нет превышения его активности над фоном. Зато этот нейрон, как видно из нижней правой картинки, активируется, когда показывают самых разных животных – льва, змею, медведя, рыбу и так далее. Для данного нейрона, по неким, неизвестным нам признакам, это все одно и то же.
Такие специализированные нейроны в нейрофизиологии обозначают разными терминами. Одно из названий предложил, например, знаменитый польский нейрофизиолог Джерси Конорский (Jerzy Konorski). Еще в 60-е годы 20 века у него была концепция, что существуют нейроны, которые должны отвечать за распознавание и высшие когнитивные функции. Он назвал их «гностическими» нейронами. По его мнению, такие нейроны должны, как видно из его рисунка, распознавать самые разные вещи, объекты, лица, почерки и так далее.
Другое название, которое появилось у этих нейронов – «нейроны бабушки». Это происходит из шутливой истории, рассказанной в 1969 году известным американским нейрофизиологом Джерри Летвиным (Jerry Lettvin). Если мозг человека состоит из специализированных нейронов и они кодируют уникальные свойства различных объектов, то, в принципе, где-то в мозге должен быть нейрон, с помощью которого мы узнаем и помним свою бабушку. То есть «нейрон бабушки». И это символическое название тоже теперь существует в нейрофизиологической литературе.
А.Г. Простите, возникает вот какой вопрос. Нейрон в процессе своей жизни может поменять профессию?
К.А. Этот вопрос предусмотрен в плане нашего обсуждения.
А.Г. Понял. Хорошо.
Ю.А. Может, тогда мы к нему и переходим – что это такое – работа нейронов, откуда берется избирательность их активаций. Один из виднейших нейрофизиологов 20-го века Вернон Маунткастл (Vernon Mountcastle) лет 15 назад красиво и точно сформулировал: «Эра функциональной локализации сменилась эрой функциональной специализации». Это означает, что уже довольно давно многим людям было ясно, что нейроны специализированы. С этим вообще мало кто спорит. Однако главный вопрос – специализированы относительно чего? Костя сейчас перечислил много всего разного, включая зеленого крокодила. А если взять зеленую муху? А если взять маленького розового медведя? А если взять самого экспериментатора? И так далее, и так далее.
И вообще, когда смотришь современные работы, возникает впечатление, что нейроны могут быть специализированы относительно чего угодно. Относительно любой концепции, которая существует в голове у ученого, который регистрирует импульсацию нейрона животного или активность отдельных мозговых структур при картировании мозга человека. Если следовать логике упомянутых работ, выходит, что нейроны могут быть специализированы относительно эмоций, относительно сознания, относительно двигательных программ, относительно переработки сенсорной информации, относительно зеленого крокодила, относительно романтической любви, относительно чего хотите. Хотите – относительно патриотизма. Такой анализ показывает, что вообще, по всей видимости, это совершенно произвольная классификация. Активации нейронов явно связаны с поведением, их специализация обнаруживается во многих экспериментах. Но все-таки, явно неверен подход, в соответствии с которым нейрон может оказаться специализирован относительно любой придуманной концепции. И вот теперь, пожалуйста, следующий рисунок. На этой фотографии Вячеслав Борисович Швырков. Я более талантливого человека не встречал.
К.А. И я тоже.
Ю.А. Швырков разработал представление о специализации нейронов, на котором, собственно, мы и основываемся. Это представление о системной специализации нейронов. Нейроны специализированы поведенчески или системно. То есть, они специализированы не относительно каких-то вымышленных функций, которых можно набрать сколько угодно, читая оглавления учебников по психологии и физиологии или художественную литературу. Нейроны специализированы (может быть, это скучнее, но зато – правда) относительно систем, направленных на достижение тех или иных результатов поведения. Разного поведения. Поэтому и специализации – разные.
Теперь возникает вопрос: откуда берется эта специализация, что это такое? И кто заставляет нейроны работать вместе (мы уже говорили, что активирующийся нейрон представляет целую группу), чтобы достичь какого-то поведенческого результата? Неужели мой нейрон знает о том, что мне необходимо взять стакан воды или сорвать цветок?
Для того чтобы подойти к ответу на этот вопрос, я зачитаю замечательную цитату из книги Чарльза Шеррингтона (Charles Sherrington). Это лауреат Нобелевской премии и работа его, из которой взята цитата, была опубликована более полувека назад. Цитата следующая: «Утверждение, что из клеток, составляющих нас, каждая является индивидуально эгоцентричной жизнью, не просто фраза. Это не просто удобный способ описания. Клетка, как компонент тела, не только визуально ограниченный модуль, это отдельная жизнь, сосредоточенная на себе. Она живет собственной жизнью».
Шеррингтон говорит здесь о том, что клетка – эгоистичный организм, у которого есть собственные потребности и собственная жизнь. И она, эта клетка, должна обеспечивать свою жизнь. Пожалуйста, следующий рисунок. В основе представлений о системной специализации лежит, в общем, следующее. Отдельный организм, который вы видите справа, над ним написано «активность» – это человек. Он совершает действие. Действие направлено на достижение определенного результата. В данном случае результат – взятие яблока. А в голове у этого человека нейроны, обеспечивающие данное и другие действия. Внизу довольно сложный рисунок одного из этих нейронов. Этот рисунок демонстрирует, что нейрон выступает, как «организм» в организме. Этот нейрон тоже совершает некое «действие» – разряжается импульсами – для того чтобы получить некий результат. Теперь вопрос: а что это за результат нейрона? Что это за результат у человека или у кролика, понятно. Взять стакан воды, найти морковку и так далее. А у нейрона?
Нейрон, как мы только что выяснили, это живая эгоцентричная жизнь. Он должен обеспечивать свой метаболизм. Свои процессы жизнедеятельности. Откуда может нейрон взять вещества, которые ему нужны для его жизнедеятельности? Из его микросреды. Кто ему в эту микросреду поставляет вещества? Эти вещества ему в среду поставляются из кровяного русла, через церебро-спинальную жидкость и от других клеток.
На схеме видно, что у этого нейрона есть на мембране рецепторы, и когда метаболиты соединяются с рецепторами, то течение метаболических процессов в нейроне меняется, и он может осуществить те или иные жизненно важные функции. Кроме того, есть и такие метаболиты, которые могут проникать внутрь клетки, также влияя на метаболизм и включаясь в метаболические циклы. Следовательно, в определенном смысле активность отдельной клетки построена так же, как и активность целого живого организма. Активация клетки – это не реакция на какой-то стимул, на приход к ней разрядов других клеток. Нейрон посылает по разветвлениям своего аксона импульсы, чтобы изменить свою микросреду и получить те метаболиты, которые ему необходимы. То есть, разрядная деятельность нейрона не реактивна, а активна и направлена в будущее.
Далее. Отдельно живущая клетка, одноклеточный организм, ведет себя следующим образом. Если этой клетке нужен какой-то метаболит для того, чтобы поддержать свою жизнедеятельность, она может сместиться в область повышенной концентрации этого метаболита и его поглотить. Нейрон, как и другие клетки организма, не может обеспечить свои потребности, изменяя среду, в одиночку. Значит, отличие нейрона, во многом похожего на эту отдельную клетку (когда ему нужны метаболиты, он тоже действует, чтобы этот метаболит получить), состоит в том, что он, как и все остальные клетки организма, может обеспечить свои эгоистические потребности, исключительно синхронизируясь, объединяясь с другими эгоистами, которым что-то надо.
И вот теперь смотрите, что получается. Масса эгоистов, активных вместе, работают, разряжаются импульсами. Мы смотрим на организм, например мой, в котором работает масса эгоистов. Что мы видим, наблюдая за мной? Что когда они работают, я делаю что-то, совершаю тот или иной поведенческий акт. Вот я достиг результата. Мои нейроны не знают ни про эту указку, которую я беру, ни про мою руку, ничего. Но когда я достигаю этого поведенческого результата – взятие указки, то в микросреде каждого из нейронов появляются те метаболиты, которые им нужны для жизнедеятельности. За это они и работают. За удовлетворение их эгоистических потребностей. Объединение этих потребностей отдельных клеток в систему извне выглядит как совершение нами целенаправленного поведенческого акта.
Отсюда вопрос, я так понимаю для нас центральный, фантастически важный и наиболее нас интересующий: а как это объединение происходит? Каким образом эгоисты объединяются в системы, то есть, каким образом эти системы формируются? Этот процесс формирования новых систем – есть процесс согласования эгоистов, работающих вместе, который для нас как целых организмов означает возможность достижения результатов новых поведенческих актов. Процесс формирования новых систем называется системогенезом.
Формирование новых систем обеспечивается функциональными и морфологическими модификациями нейронов. В основе морфологических изменений лежит активация генетического аппарата нервных клеток, и здесь Костя является одним из крупнейших специалистов.
К.А. Прежде чем мы перейдем к генам, я бы хотел немного дополнить то, что говорил Юра. Одно из замечательных открытий, сделанных Швырковым, заключалось в том, что активность нейронов в бодрствующем мозге во время поведения связана не с наносимыми организму стимулами, а с результатами и целями поведения. Раньше активность нейронов в мозге изучали в основном после предъявления организму стимулов и строили всю логику работы мозга от стимула к реакции. Вячеслав Борисович, вместе со своими сотрудниками обнаружил, что в ситуациях активного поведения адекватного усреднения работы нейрона относительно стимулов не получается. Стимулом может быть, например, дача условного сигнала, скажем, звука. А дальше животное должно подбежать к кормушке за пищей. И оказалось, что активность нейронов в мозге бодрствующего животного определяется не предшествующим стимулом, а тем, куда движется животное и что будет в конце поведенческого акта. И когда такая команда одновременно работающих «эгоистов» достигает результата, то эта активность прекращается. То есть активации нейронов в поведении, как говорил Швырков, не «постстимульные», а «предрезультатные».
А.Г. Кстати, я обратил внимание, что на том же самом видео с кроликом пик активности приходился не на тот момент, когда он тянет кольцо, а когда он только подходил к нему.
Ю.А. Да, совершенно верно. В рассматриваемом нами поведении много поведенческих актов, сменяющих друг друга. И там не только само потягивание, но подход к кольцу. Поскольку мы его учили сначала подходить к кольцу, то для него результат – не только захват кольца, но и подход к нему.
К.А. Потому что на определенной стадии обучения кролику достаточно было отойти от кормушки в сторону кольца, чтобы получить следующую порцию пищи.
Ю.А. Можно, я теперь добавлю к тому, что сказал Костя? Я бы хотел показать здесь данные, полученные в лаборатории Сэма Дедвайлера (Sam Deadwyler), в Соединенных Штатах. Это совершенно замечательная иллюстрация, которая иллюстрирует соответствие динамики активности нейронов динамике поведения животного. Здесь показано, как работают нейроны у крыс-кокаинисток. Эта крыса приучена к потреблению кокаина, и она кокаинозависима. Ей в вену введен катетер, и в него поступает кокаин каждый раз, когда крыса жмет на педаль. На рисунке вы видите слово «кокаин», а под ним черта. Вот эта черта и обозначает интервал, когда в вену поступает кокаин. Как только крыса получает кокаин, посмотрите, в разрядной деятельности клетки появляется пауза. Пауза означает, что результат достигнут, и на уровне отдельного нейрона достижение результата выступает как прекращение активации, связанной с достижением результата. Дальше посмотрите. Постепенно частота активности нейрона нарастает. Она нарастает, потом…