Протез для спогадів

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 64

Скажи «чіп пам’яті», і згадається вся класика фантастики. Саймон Ілліан з циклу романів про Форкосігана Лоїс Буджолд — шеф барраярської контррозвідки, ідеальну пам’ять якого одного разу зруйнував ворожий вірус. «Джонні Мнемонік» — фільм про нелегку долю кур’єра, чий мозок використовують для транспортування важливої інформації (комп’ютерники тепер помирають зі сміху, коли згадують, що стелею Джонні були 160 гігабайт)… А якщо зробити крок ще далі в описуване минуле і замінити «чіп» більш загальною «комп’ютерною пам’яттю» — звичайно ж Велике Кодування з повісті Стругацьких «Полудень. XXII століття «, де особу вмираючого вченого переносять на жорсткий носій (судячи з обсягу апаратури, ламповий).

Ідеї про можливу сумісність між мозком і механізмом стали з’являтися, очевидно, відразу ж після того, як виникли думаючі машини. А оскільки складати простіше, ніж робити, фантасти сильно випередили вчених. Ті ще тільки починали фіксувати сигнали з електродів, вживлених в різні ділянки людського мозку, і з найбільшими обережностями посилали зворотні сигнали (див. про це, наприклад, спогади Н.П. Бехтеревой), а письменники вже звантажували героям навички фехтування та іноземні мови або переносили людське «я» у обчислювальні машини і вели з ним зворушливі діалоги.

Здійснити щось подібне на практиці було непросто з багатьох причин. Тут і відмінність платформ — нейрони з їх іонними насосами і нейромедіаторами не дуже-то схожі на електросхеми, створювані людьми, і висока ступінь мініатюризації обладнання, досягнута природою, і «принцип чорної скриньки» — про роботу нервової системи, здорової або пошкодженої, з самого початку доводилося судити зі спостереження за біооб’єктом, яким вона керує. Однак нелегко — не означає неможливо, і ми весь час бачимо в новинах повідомлення про нові відкриття, пов’язані з роботою мозку. Ось зараз заговорили про чіпа пам’яті з Каліфорнійського університету. Так що там з цим чіпом?

Як ми знаємо те, що ми знаємо

Наше «я» — це значною мірою наша пам’ять. Все, що ми пережили і дізналися на своєму віку, обличчя рідних і знайомих, місця, де ми бували, факти, назви і визначення, звички і навички, і сама мова, якою ми говоримо і думаємо, — все це, як ми звично відзначаємо, «зберігається в пам’яті». Відніми у людини пам’ять, і що залишиться від його особистості? А доступ до пам’яті, здавалося, повинен вирішити більшу частину проблем, пов’язаних з дослідженням мозку.

Уявлення про «сховища пам’яті» фантасти моментально освоїли і широко поширили в масах. Мовляв, достатньо знайти доступ до цих секторів жорсткого диска у нас в голові, підключитися до роз’єму, підібрати пароль, і помчатися по монітору потоки цифрових даних, на льоту перетворюючись на відеозаписи життя пацієнта — скажімо, любовні сцени або навчальний фільм «як ми в першому класі писали заголовну літеру» А «… Не тут-то було.

З’ясувалося, насамперед, що факти не відкладаються в пам’яті у вигляді файлів, акуратно розкладених по папках і відсортованих. Більше це схоже на систему перехресних посилань. Можна сказати, що про кожну подію існує кілька пам’яток і різні аспекти зберігаються окремо.

Відомий нейробіолог Вілаянур Рамачандран з університету Каліфорнії — Сан-Дієго у своїй чудовій книзі «The Tell-tale brain» (2010) розповідає історію Джона, 60-річного чоловіка, який переніс операцію з приводу апендициту. Згусток крові після операції потрапив у мозкову артерію, і Джон, до власного жаху, не зміг впізнати свою дружину, себе в дзеркалі. «Я знаю, що це я, — говорив він. — Підморгує, коли я підморгую, і рухається, коли я рухаюся. Ясно, що це моє відображення. Але воно не схоже на мене «. -» Мій зір в порядку, лікарю, це в мозку у мене щось не фокусується «, — повторював Джон, в минулому військовий пілот. Коли йому показували моркву, він говорив: «Це довга штука з пучком на одному кінці. Пензлик? » Побачивши козу — «якась тварина, можливо собака». Джон втратив здатність миттєво розпізнавати об’єкти, як робить кожен з нас, а «вираховував» їх категориальну приналежність, виходячи з окремих ознак. При цьому ні розумові здібності, ні мова його не постраждали. Джон міг докладно описати моркву, розповівши і про листя, і про форму, і про колір, і про способи приготування. Він старанно перерисував гравюру із зображенням собору Святого Павла, яка була у нього вдома, скопіювавши і дефекти друку, але не міг пояснити, що на ній зображено. Він висмикував квіти замість бур’янів у себе в саду, а у відповідь на прохання намалювати троянду і нарцис зобразив «марсіанські квіти», що не існують в природі. Але підстригати живу огорожу не розучився: для цього не потрібно було ідентифікувати об’єкти, достатньо розрізняти нерівності.

«Джон чудово міг бачити, він тільки не знав, що він бачить, — резюмує Рамачандран і далі пише:- Ти дивишся, ти бачиш, ти розумієш — це здається таким же природним, як те, що вода тече вниз. Тільки коли з’являються якісь неполадки, як у пацієнтів на кшталт Джона, ми розуміємо, до чого це складно. Хоча наша картина світу виглядає єдиною і узгодженою, насправді її створює активність тридцяти (або більше) різних зорових областей в корі, кожна з яких має безліч важковизначених функцій «.

Не слід думати, що йдеться про тридцять фрагментів картинки: ситуація ще складніша. Коли ми дивимося на стілець, продовжує Рамачандран, його зображення віддруковується на сітківці нашого ока, і на цьому «зрозуміле» закінчується. У мозку у нас немає екранчика, на який проектувалося б зображення стільця для нашого «внутрішнього погляду». До речі, ця старомодна метафора заважає усвідомити простий факт: всередині нашої голови немає ніяких очей, які могли б дивитися, там йдуть інші процеси.

Образ стільця, передаючись з сітківки по зорових нервах, зберігається в нашій пам’яті в закодованому вигляді — так, якщо ми скачаємо з торентів «Сніданок у Тіффані» і відкриємо його редактором файлів, то не знайдемо зображення Одрі Хепберн. Бажаючим дивитися кіно з чужої пам’яті належить не копіткий монтаж, а написання програми для відтворення відеофайлів невідомого формату. Які, до речі, поки ще не завантажені.

Що стосується Джона, у нього був пошкоджений один із шляхів обробки зорової інформації, так званий вентральний потік «що?» (Див. статтю «Фізіологія обману» у попередньому номері). Інші шляхи функціонували нормально, пацієнт добре бачив, міг ходити по кімнаті, не натикаючись на предмети, але розучився класифікувати їх, співвідносити зображення з ім’ям об’єкта — хоча, як у випадку з морквою, «теорію пам’ятав». А ще один пацієнт, названий у книзі Девідом, не мав проблем з розпізнаванням облич, але… «Докторе, ця жінка виглядає в точності як моя мати, але це не вона — це чужа людина, яка прикидається моєю матір’ю». Фрейдистські пояснення цього захворювання, яке називається «синдром Капграсса», виявилися неспроможними, тим більше що Девід і про свою собаку сказав: «Вона виглядає зовсім як Фіфі, але це не вона». Насправді у пацієнта був пошкоджений шлях передачі зорової інформації, що веде до мигдалини, — відключилася емоційна реакція на побачене. (А ось Джон при вигляді лева відчув страх, хоча і не міг сказати, що це за тварина.) Здавалося б, де зорова кора і де мигдалина — але відсутність «правильного» емоційного відгуку на образи перенесла Девіда в сюрреалістичний світ, населений підступними самозванцями. Добре, що аберація не торкнулася інших каналів введення. Почувши по телефону голос матері, Девід впізнав її і зрадів.

Звідси випливає, по-перше, що дослідження механізмів пам’яті ще не скоро будуть супроводжуватися кінопоказами, доведеться обійтися менш ефектними прикладами. (Втім, для тих, хто в курсі справи, вони досить ефектні.) А по-друге, не менш важливі, ніж горезвісні «сховища пам’яті», шляхи доступу до них — запам’ятовування і спогади. Поки ми не розберемося з цим, ми не зрозуміємо і принципів кодування.

Одну з центральних ролей тут грає гіпокамп — частина старої кори головного мозку, одна зі структур лімбічної системи. Власне, це не одна, а дві маленькі структури, симетрично розташовані в двох півкулях, і у людини дійсно схожі на морських ковзанів (а у щура — швидше на маленькі бананчики). Як багато стародавніх структур мозку, гіпокамп багатофункціональний, і одне з найважливіших його завдань — формування довготривалої пам’яті.

Помилка запису

Людина, завдяки якій ми багато чого дізналися про пам’ять, померла 2 грудня 2008 року у віці 82 років. Він був всесвітньо знаменитий, проте ім’я його тримали в секреті з етичних міркувань, і вчені посилалися на нього, не знаючи, як його звуть. Після смерті «пацієнта Г.М». понад 2400 найтонших зрізів його мозку перевели в цифровий формат і розмістили в Інтернеті (з цього починання зріс проект «Обсерваторія мозку»). Чим він так прославився?

Генрі Молашен (Molaison) зі штату Коннектикут з дитинства страждав на епілепсію. Припадки ставали частіше і, коли Генрі виповнилося 27 років, траплялися по кілька разів на день. Нейрохірург Вільям Бічер Скоуелл, знаменитий ризикованими, але успішними операціями, взявся допомогти молодій людині. Він підсумував, що осередки епілепсії знаходяться в темпоральних (скроневих) зонах кори, і з якихось причин вирішив видалити більш великі ділянки. Крім скроневих ділянок кори, видалено значну частину гіпокампа і мигдалини. Після цієї операції виявилося, що розум Генрі не утримує жодних нових спогадів довше 20 секунд: він не міг запам’ятати ні імен медсестер, ні як пройти в туалетну кімнату. Це сталося 1953 року, і Генрі належало прожити ще 55 років. Його інтелект не постраждав (а був він дещо вище середнього: незважаючи на хворобу, Генрі встиг стати електриком), пацієнт із задоволенням вирішував кросворди і дивився телевізор. Вчені, які працювали з Генрі, відгукуються про нього як про життєрадісну і лагідну людину. Він усвідомлював, що хворий, турбувався, що не пам’ятає сказаного хвилину тому, але ніколи не відмовлявся взяти участь в експерименті, «щоб принести користь іншим людям».

Випадок «пацієнта Г.М». показав насамперед, що пам’ять неоднорідна: короткочасна пам’ять принципово відрізняється від довготривалої і за перетворення свіжих спогадів на постійні відповідає саме гіпокамп. Ще цікавіше було те, що Генрі міг набувати нових навичок — наприклад, його навчили малювати предмети, які він бачив у дзеркалі. Згодом Генрі не міг сказати, хто і коли його цьому навчив, але як це робиться, запам’ятав.

Гіпокамп буває вражений при багатьох захворюваннях, що супроводжуються втратою пам’яті, таких, як синдром Корсакова, хвороба Альцгеймера. Пошкодження в основному зачіпають пам’ять про пережиті події, але не процедурну пам’ять (тобто навички, вміння вирішувати завдання певного типу). Крім того, в гіпокампі є так звані нейрони місця (place cells) — кожен з них активізується, коли тварина або людина знаходиться в певному місці. Ще в 70-ті роки ХХ століття було показано, що ці нейрони відповідають за зберігання і обробку просторової інформації — за побудову «карти місцевості» в мозку. Жартівливу Ігнобелівську премію 2003 року з медицини отримали Елінор Магуайр з колегами «за доказ того факту, що у лондонських таксистів є мізки» (див. «Хімію і життя», 2004, № 12). Насправді вони показали, що у таксистів область гіпокампа, яка вважається відповідальною за просторову пам’ять, в середньому більше, ніж у людей інших професій, а у досвідчених таксистів більше, ніж у початківців. (Цю статтю легко знайти в Інтернеті — «Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA», 2000, т. 97, № 8, с. 4398-4403). За словами самої Елінор, таксисти після церемонії нагородження стали впізнавати вчену даму в обличчя і возити її безкоштовно.

Того ж 2003 року в журналі «New Scientist» вийшла стаття з амбітним заголовком «Перший у світі протез мозку». У ній розповідалося про роботи Теодора Бергера і його колег з університету Каліфорнії — Лос-Анджелес (UCLA). Група Бергера оголосила про намір створити штучний гіпокамп щура. Вони змоделювали гіпокамп як сукупність нейронних мереж (зробити це було не так просто, як сказати: на роботу пішли роки). Щурячий гіпокамп, за великим рахунком, не дуже відрізняється від людського, так що перспективи зрозумілі.

Американський філософ Деніел Деннет написав: «Коли перемикаєшся від спроб моделювати речі за допомогою рівнянь до виробництва здійснених комп’ютерних моделей… ти можеш закінчити моделлю, що тонко моделює природу, але ти не розумієш модель «. Це висловлювання, щоб воно не звучало так сумно, можна перевернути: щоб створити досконалу модель, не обов’язково мати вичерпну інформацію про оригінал. Зрештою, протези суглоба або серцевого клапана не повторюють мікроструктуру органів, вони просто працюють так само.

Якщо створити модель гіпокампу на комп’ютерному чіпі, подати на вхідні електроди сигнали від інших відділів мозку, пов’язаних з гіпокампом, і отримати на виході сигнали, які генерує «живий» гіпокамп, то ми отримаємо штучний аналог цього відділу мозку. Протез, який перекодує інформацію з короткочасної пам’яті в довготривалу. Одна невелика операція, і порушення пам’яті, які викидають людину з нормального життя, залишаться позаду. А далі — хто знає, як далеко може зайти протезування?

За першими успіхами знову були роки роботи з математичними моделями і з піддослідними тваринами. І ось нарешті цього року з’являються переможні заголовки новин: «Вчені поселили в мозку щурів електронну пам’ять», «Вченим вдалося зробити апгрейд мозку». Група дослідників з UCLA і університету Вейк Форест зробила чіп, що функціонально заміщає ділянку гіпокампа біля щура, і експериментально перевірила, чи добре він працює.

Випробування нейропротезу

Щура не можна запитати: «Чи пам’ятаєш ти?». Для перевірки пам’яті у тварин використовували поширений тест DNMS (delayed nonmatch-to-sample memory task). Щура поміщали в квадратну камеру, в одній з її стінок була поїлка, а праворуч і ліворуч від неї — важелі, які експериментатор міг пред’являти тварині або ховати. Спочатку щури показували один важіль, праворуч або ліворуч від поїлки, і у відповідь на натискання щур отримувала краплю води. (Природно, експеримент організували так, щоб у піддослідного було бажання співпрацювати: щур не вмирав від спраги, але пити хотів.) Потім нічого не відбувалося доти, доки щур не торкався носом комірки з фотоелементом у протилежній стінці камери. Тоді щуру пред’являли вже два важелі, і вона повинна була натиснути важіль не з того боку, що в перший раз, а з іншого: якщо спочатку важіль був праворуч, то вдруге треба було натискати ліворуч, і навпаки. Виконавши завдання правильно, щур знову отримував воду, якщо ж він помилявся, то води не отримував і в камері на п’ять секунд вимикали світло. (Фаза затримки з пошуком фотоелемента потрібна саме для того, щоб перевірити, чи записалося в пам’ять положення першого важеля — чим довше затримка, тим більша ймовірність, що щур забуде, зліва він був або праворуч.)

Зрозуміло, що і при ворожінні наосліп менше половини правильних відповідей бути не може, але якщо їх число при багаторазовому повторенні експерименту з десятками тварин істотно перевищує 50% — стало бути, щури пам’ятають, де був важіль в перший раз. А якщо «призначити» групі піддослідних той чи інший препарат, або піддати їх стресу, або зробити з ними що-небудь ще, що підкаже вченим фантазія, — щодо збільшення або зменшення числа правильних відповідей можна судити про те, як ці фактори впливають на пам’ять.

Сигнали з 16 електродів, вживлених у гіпокамп щура, записували в проміжок часу між пред’явленням важеля праворуч або ліворуч і дотиком щура до важеля. Ліворуч — реальна активність гіпокампа. (По вертикалі — номери електродів, по горизонталі — час; верхня і нижня чверті — ліва і права зони SA3, рамкою обведені зони SA1.) Праворуч — активність зон SA1, розрахована програмою MIMO за сигналами SA3. Неважко бачити, що розрахунковий патерн дуже схожий на реальний. Зображення: «Хімія і життя»

Коли в голові щура закріплювалася послідовність «один важіль — фотоелемент — інший важіль», їй (нарешті!) імплантували електроди. У гіпокампі є ділянки, позначені літерами УА (лат. cornu ammonis, «аммонів ріг» — інша назва гіпокампа). Важливу роль у формуванні довготривалої пам’яті відіграє проходження сигналу від SA3 до SA1. Щура вживляли з кожного боку голови (в правий і лівий гіпокамп) по два ряди електродів, на відстані 200 мкм один від іншого, а між рядами — 400 мкм, на глибину 3-4 мм від поверхні кори. Таке розташування якраз відповідало потрібним групам нейронів. У кожному ряду було вісім електродів. Крім них, деяким щурам вживляли канюлю — тоненьку трубочку, через яку можна вводити хімічні речовини прямо в нервову тканину зони SA3. Після операції тварини приходили до тями тиждень, а потім починалися досліди.

Щурів приєднували до записувальної апаратури (звичайно, таким чином, щоб дроти не соромили рухів). З кожного електрода писали інформацію про електричну активність прилеглих нейронів. Результат представляли у вигляді контурних карток: по вертикальній осі номера електродів, по горизонтальній — час, відтінки кольору — частота в герцах (або ймовірність активізації даної зони у відсотках, якщо мова йде про узагальнені дані). Такі картинки (висловлюючись коректно, просторово-часові патерни нейронної активності) отримували як з SA3, так і SA1. Ключовим періодом для запам’ятовування, що не дивно, виявилися кілька секунд між пред’явленням щуру одного важеля і моментом натискання. З деякою натяжкою можна сказати, що ми бачимо запис щурячих «думок»: «Ага, тепер правий» і «Ага, тепер лівий». (Цікаво, що патерни активності в правій і лівій півкулях були неоднаковими.)

«Протез гіпокампа» повинен отримувати на введення сигнали з SA3 і видавати те (або хоча б приблизно те), що в нормі з’являється в SA1. Для цього була створена спеціальна нелінійна модель MIMO (multi-input/multi-output), яка успішно впоралася із завданням (див. рис.). Працюючи з реальними і розрахунковими патернами активності, дослідники навчилися їх класифікувати: «сильними» назвали ті, після яких щур зазвичай виконував завдання правильно, а «слабкими» ті, після яких він зазвичай помилявся (в силу якихось внутрішніх щурячих причин, погано запам’ятовуючи ввідну — «здається, був лівий, а може, і правий»).

Ці результати дозволили досить успішно передбачати, виконає щур завдання або провалиться, за спостереженнями за активністю його мозку під час пред’явлення першого важеля. «Сильний» сигнал відповідав відмінному запам’ятовуванню — навіть коли щурів змушували зволікати зайві 10-20 секунд, вони робили мало помилок. Щури, що видали «слабкий» сигнал, як двієчники на іспиті, скочувалися до ганебних 50%, трохи тільки їх змушували почекати довше, але, якщо два важелі їм пред’являли через лічені секунди, все-таки показували задовільний результат — коротка пам’ять у них була. Подібна методика може знайти застосування в діагностиці порушень пам’яті.

Однак попереду найцікавіше: налаштування пам’яті. На електроди в області SA1 щурах транслювали «сильний» сигнал, і результати істотно поліпшувалися навіть у тих, власні сигнали яких були «слабкими». Протез виконував свою функцію. Як додатковий контроль подавали «безглузді» сигнали (мало, можливо, електроди просто стимулюють власну активність клітин!), і вони не дали ефекту.

Якщо транслювати в зону SA1 гіпокампа щури «сильний» сигнал, що відповідає хорошому запам’ятовуванню, то число правильних відповідей (коли щур вибирає важіль з протилежного боку) різко виростає. Більш того, така стимуляція коригує порушення пам’яті, викликані блокатором глутаматного рецептора MK801. Зображення: «Хімія і життя»

Щоб остаточно переконатися, досліди повторили на щурах, які втратили здатність запам’ятовувати. Через канюлю, розташовану поруч з електродами, протягом 14 днів вводили MK801 (дизоцилпін) — речовину, що блокує перенесення нейромедіатора глутамату. У підсумку бідна тварина, зовсім як Генрі Молашен, не могла запам’ятати подію, що трапилася тільки що (хоча навичка «один важіль — фотоелемент — інший важіль» не втрачала). Але коли безпам’ятному щуру передавали «сильний» сигнал, вона знову успішно справлялася із завданням. «Поверніть рубильник, і щури згадають. Вимкніть його, і щури забудуть «, — з гордістю каже доктор Бергер.

Що ж, привід для гордості є. Сьогодні нікого не дивує слуховий протез за вухом у бабусі або дідуся. Якщо подальші дослідження Бергера зі співавторами будуть успішними, можливо, для наших онуків такими ж звичними будуть літні люди (або молоді, з тих чи інших причин потребують ідеальної пам’яті) з двома коробочками на скронях. До речі, а ви добре запам’ятали те, що зараз прочитали?

Література:

Theodore W Berger et al. A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory. «Journal of Neural Engineering», 2011, т. 8, № 4. doi: 10.1088/1741–2560/8/4/046017.