Мозг, в котором…

Древний нетворкинг

Наши интеллектуальные способности и эмоции могли развиться из-за стремления древних людей к общинной жизни. Такое предположение выдвигал сам Чарлз Дарвин. Однако тогда, в XIX веке, эта идея встретила сопротивление солидной части научного сообщества. Впрочем, как и теория происхождения видов. Сегодня мало кто спорит с эволюционной теорией Дарвина — разве что глубоко религиозные люди или приверженцы иных форм мировоззрения. Так вот, согласно логике дарвинизма, наши древние предки гораздо успешнее боролись с опасностями, возникающими буквально на каждом шагу, не поодиночке, а сообща. А чтобы создать сплочённую группу, им нужно было научиться отделять своё «я» от чужого, осознавать свои поступки, понимать действия соплеменников, подражать более продвинутым особям и передавать полученные от них знания детям.

Такое объяснение эволюции человеческого сознания называют гипотезой социального мозга. Её в экспериментах с человекообразными обезьянами и людьми подтверждают многие современные антропологи и психологи, в том числе Робин Данбар, Майкл Томаселло, Эндрю Уайтен, Ричард Бёрн, Николас Хамфри.

Кстати, Томаселло, развивая эту идею, пришёл к выводу, что именно коммуникативные навыки легли в основу более специализированных способностей — абстрактного и логического мышления.

Так что, не додумайся наши далёкие родственники до нетворкинга, не было бы ни науки, ни прогресса, ни, может статься, даже человечества.

Филипп готовит визуализацию биоинформатическских данных для научной статьи.

«Cobrain-Аналитика» — российский проект по созданию информационно-аналитической платформы для сбора, хранения, анализа и обработки больших медицинских данных о головном мозге человека в различных состояниях и модальностях. В 2016 году проект получил поддержку Национальной технологической инициативы. Оператором Cobrain выступает Сколтех.

Проект отличают мультимодальный подход и комбинирование разных типов анонимизированных данных по одному и тому же пациенту. Миссия проекта — создание ценностей для медицинского рынка и внедрение уникальных инструментов анализа данных в практическое здравоохранение. Сегодня в систему «Cobrain-Аналитика» интегрировано множество компаний, биохолдингов и ведущих российских медицинских центров превосходства.

Большое количество мультимодальных данных, находящихся в системе Cobrain, позволяет строить предиктивные модели по заболеваниям мозга, анализировать динамику нейрозаболеваний, решать трудоёмкие задачи в рутинной практике врача. Дополнительно проект предлагает партнёрам программу по очистке ЭЭГ от шумов, мешающих анализу информации; конвертер снимков МРТ в удобные форматы.

Подробнее о проекте на http://cobrain.io/

Мозги отмороженные и живые

Аспирантка Аня Ванюшкина знакомит меня с машиной, при помощи которой исследует человеческие мозги.

— Это фантастический прибор! Совсем новенький масс-спектрометр. На нём можно определить состав любого вещества, любой сложной органической смеси, живой ткани. Скоро я буду смотреть на нём состав метаболитов мозга больных шизофренией, — рассказывает Аня, мягко похлопывая устройство по белому корпусу.

Мы заглядываем в кабинеты лаборатории Центра системной биомедицины и биотехнологий Сколтеха, в которой работает научная команда Филиппа Хайтовича. За следующей дверью — сами мозги. В небольшом специализированном контейнере для доставки биоматериала из хранилища в лабораторию — пробирки с замороженными срезами самого загадочного органа.

— Вот тут как раз образцы мозга шизофреников... из Китая, — Анна показывает мне крохотную пробирку с замёрзшим желтоватым кусочком внутри и тут же прячет её обратно, чтобы не испортить биоматериал.

— Хм... впервые вижу столь отмороженный мозг, — шучу я, чтобы справиться с волнением. Не каждый день удаётся взглянуть на мозг китайского шизофреника. — Откуда вы их берёте?

— Человеческие покупаем в мозговых банках за рубежом. В России нет замороженных. А мозги макак, например, заказываем в зоопитомниках. Когда животное умирает, его тело используют на благо науки. Ладно, пойдёмте, я вас с живыми мозгами познакомлю.

Система ввода образца в масс-спектрометр.

Заходим в коворкинг, где работают аспиранты Хайтовича — команда молодых биоинформатиков. Уткнувшись в мониторы компьютеров, они молча клацают по клавишам.

— Илья, — нарушает тишину Анна. — Расскажи, пожалуйста, об исследовании, в котором вы сравнивали мозги шимпанзе, аутистов и здоровых людей. Можешь поделиться подробностями? Я знаю, что это интересно, но не в курсе деталей.

— Нечем делиться, — отрезает Илья, не поднимая головы, и удобнее устраивается с ноутбуком на пуфике.

— Ну как же... вы же увидели, что по сравнению с мозгом здорового человека у обезьян и аутистов ­понижен уровень глутатиона. Можно же предположить, связать...

— Вряд ли можно что-то с чем-то связать, — поддерживает Илью аспирантка Саша.

— Глутатион отвечает за окислительные процессы в мозге, которые у здорового человека идут одним образом, а у приматов и аутистов другим. Всё. Тут нельзя делать какие-то выводы, — упорствует Илья.

— Конечно, ты не можешь утверждать чего-то, но можешь хотя бы определить дальнейшее направление поиска, — не унимается Аня. — Ну, если подумать. В чём проблема аутистов? У них что-то не так с коммуникацией. У шимпанзе этот навык тоже развит не так, как у человека. Интересно было бы посмотреть, что там происходит на молекулярном уровне.

Аспиранты-биоинформатики. На пуфике Илья, на переднем плане Саша.

Комната наполняется гулом перебивающих друг друга голосов. Один за другим биоинформатики отрываются от компьютеров и втягиваются в спор. Похоже, теперь ребята видят больше выгоды в обсуждении, чем в уединённой работе. Кто знает, может, сообща они сформулируют интересную гипотезу или поймут, каких данных для неё не хватает. Ведь нетворкинг — сила, сделавшая из обезьяны человека.

В пользе коммуникации для индивидуального развития и прогресса человечества убеждает и то обстоятельство, что ни одно великое открытие не было сделано в одиночку. Взять того же Дарвина, автора эволюционной теории. Безусловно, он единственный, кто подробно и доступно изложил её. Но теория эта возникла в его голове не на пустом месте как божественное откровение, а стала результатом коммуникации учёного с работами современников и предшественников. Идею естественного отбора одновременно и независимо от него разрабатывал также натуралист, географ и антрополог Альфред Рассел Уоллес. Однажды он поделился своими соображениями с Дарвином. Тот был поражён сходством рассуждений и ещё больше убедился в истинности своей теории.

Существенное влияние на обоих учёных оказал эмбриолог Карл Бэр, который ещё в 20-е годы XIX века отмечал, что зародыши разных животных на первых стадиях онтогенеза практически идентичны и лишь на поздних этапах приобретают видоспецифичные различия. Да и после публикации «Происхождения видов» в 1859 году идеи Дарвина были бы нежизнеспособны, если бы не нашли сторонников.

Маленький, но не глупый

Раз, по версии большинства современных учёных-эволюционистов, наш вид выжил и поумнел только потому, что смог самоорганизоваться в социум, особи по отдельности наверняка стали гораздо слабее. Насколько это небезопасно?

Филипп Хайтович с коллегами из Института вычислительной биологии в Шанхае провели эксперимент, в котором сравнили мускульную силу спортсменов, шимпанзе и макак. Показатель силы высчитывался исходя из габаритов и массы тела. Удалось установить, что обезьяны обоих видов сильнее человека примерно в два раза. Учёные предположили, что ослабевание мышц у человека — результат адаптации, позволившей прокормить большой и энергозатратный мозг: он потребляет примерно 20 % энергии и работает постоянно.

— А не был ли наш мозг в какой-то момент пограничным адаптивным признаком? Как, например, чересчур богатое оперение хвоста у самца павлина, которое вроде как и плюс, потому что привлекает самок, но одновременно мешает удирать от хищников? — спрашиваю я Филиппа, только что освободившегося после рабочих совещаний.

— Да, кажется, что большой мозг — не очень выгодное приобретение, по крайней мере для тех, кто хочет эффективно размножаться. Ведь вскармливать большое количество потомства, которое имеет энергетически затратный мозг, сложно, — рассуждает Филипп. — А плодовитость важна для всех животных. Но вообще-то люди в этом деле очень успешны. Мы можем рожать детей каждый год, а наши ближайшие родственники, шимпанзе, — только раз в 4–5 лет. Если бы вреда от большого мозга было больше, чем пользы, мы бы просто не выдержали естественного отбора. Впрочем, на сегодняшний день палеоантропологи накопили немало доказательств того, что в последние 20 тысяч лет наш мозг уменьшался.

— Но глупее мы от этого не становились.

— Большой и умный мозг — не одно и то же. Было немало экспериментов, которые показали, что наши интеллектуальные способности и когнитивные функции не связаны напрямую с величиной мозга.

Так что не исключено, что через несколько тысячелетий наш мозг будет ещё меньше, — эволюция никогда не ставит окончательных точек, по крайней мере пока вид не вымер. А главное, ошибочно считать эволюцию процессом, заведомо направленным только на усложнение. Скорее это история про оптимизацию — она ведёт к выживанию наиболее приспособленных. Кстати, насчёт уменьшения мозга есть интересное предположение: возможно, дело в самоодомашнивании.

— Как это? Вы полагаете, что человек одомашнил самого себя?

— Почему бы и нет? Об одомашнивании вида свидетельствует сразу несколько признаков: повышение плодовитости, сокращение мышечной массы, то есть уменьшение физической силы, сохранение детских элементов поведения во взрослом возрасте, появление покорности и дружелюбия; изменения, связанные с терморегуляцией. А в некоторых случаях ещё и уменьшение мозга. У ряда видов это совершенно точно происходит. Доказано, например, что у домашних морских свинок мозг в среднем на 30 % меньше, чем у диких.

Гипотеза, что человек сам себя одомашнил, может казаться спекулятивной, но я принимаю её — без всяких доказательств, на уровне личного мнения. Я допускаю, что мозг Homo sapiens мог уменьшиться, чтобы энергетически было менее затратно часто приносить потомство и выкармливать его.

Сублимация не помогает

Эту смелую гипотезу Хайтович решил проверить со своими аспирантами из Сколтеха. Учёные взяли кусочки мозга из одной и той же области у млекопитающих разных видов, разбитых на группы по принципу домашний — дикий. В выборку попали собаки и волки, свиньи и кабаны, кролики и лесные зайцы, домашние морские свинки и дикие. И, как вы ­наверняка уже догадались, — человек, которому были противопоставлены обезьяны трёх видов: шимпанзе, бонобо (карликовый шимпанзе) и макака.

— Мы с коллегами сразу договорились, что это рискованный и в какой-то степени даже безумный эксперимент, а значит, в нём всё должно быть безумно, — предупреждает Филипп. — Поэтому мы не стали смотреть на гены и выявлять специфические мутации, отличающие диких животных от домашних. Мы сразу принялись искать значимую разницу в метаболизме мозга диких и одомашненных млекопитающих. Для этого у нас было всё что нужно: сами мозги и технологии, позволяющие идентифицировать все компоненты в составе мозга и точно определить самые тонкие биохимические изменения.

— То есть вы хотели проверить, отвечают ли конкретные биохимические реакции за поведение животных?

— Ну да. У многих эта затея вызывает скептическую реакцию вроде: «Что? Детерминанты поведения связаны с конкретными метаболическими процессами в мозгу? Да быть такого не может!» или «Это всё равно что пытаться определить склонность к агрессии по биохимическому составу крови». Но мы и сами понимали, что чётких корреляций может не быть. И вообще, как я уже сказал, мы ставили безумный эксперимент, о чём изначально договорились.

— Вам удалось выяснить что-то существенное?

— Удивительно, но да. Мы обнаружили в мозге диких млекопитающих наборы биохимических реакций, отличные от тех, что есть у одомашненных. Причём у разных видов диких животных эти наборы похожи ­между собой. То есть поведение всё-таки может зависеть от особых метаболических изменений в мозге. Это поразительный результат.

— Что же с человеком? Он оказался в стане одомашненных животных?

— Это была следующая стадия эксперимента. Человека и его ближайших родственников мы добавили, когда поняли, что биохимические реакции могут-таки отвечать за поведение. И по сравнению со всеми тремя приматами — шимпанзе, бонобо и макаками — человек действительно оказался более одомашненным. Но когда сравнивали с каждым видом обезьян по отдельности, то выяснилось, что люди всё-таки агрессивнее бонобо. Впрочем, этот эксперимент не завершён. Молекулярные данные анализировать сложно, и нам ещё многое предстоит перепроверить.

Но даже предварительные итоги этого исследования провоцируют на занятные рассуждения. Бонобо, оказавшиеся добрее людей, давно известны пикантным способом подавления агрессии. Эти приматы справляются с деструктивными эмоциями и поведением при помощи... любви. А если быть точнее, конфликтные ситуации они разрешают не драками, а совокуплением. Впрочем, человечество тоже не раз пробовало пойти по этому пути — вспомним Дионисии древних греков или аналогичные римские Сатурналии. Но, как видим, у нашего вида такой подход не возобладал над жестокостью.

На экране данные с масс-спектрометра. Дальше их будут обрабатывать и анализировать биоинформатики.

— Почему же человечеству никакая сублимация не помогает справиться с агрессивностью? Ни любовь, как у карликовых шимпанзе, ни спорт. Даже Олимпийские игры, во время которых, по идее, должны останавливаться вооружённые конфликты, в ХХ веке отменяли из-за мировых войн.

— Когда агрессии слишком много, её не насублимируешься, она всё равно будет вырываться на передний план. Опять же, если рассуждать в логике эволюционной теории, возможно, именно агрессивность помогла нам стать такими умными. Было бы выгоднее сублимировать — мы бы так и поступали.

— Но если посмотреть иначе. Благодаря «подросшим» мозгам мы способны создавать оружие массового уничтожения. И в какой-то момент из-за неуёмной агрессивности можем его применить, истребив большую часть человечества. В чём здесь выгода?

— Вообще, эволюция и естественный отбор — это ещё и процесс вымирания. За всю историю развития жизни видов исчезло гораздо больше, чем существует сейчас. Поэтому ничего парадоксального в этом нет. Эволюция — жёсткая вещь, исчезновение видов — обыденность. Мы оказались агрессивнее, плодовитее, умнее неандертальцев, денисовцев, идалту, флоресских людей — они все вымерли. Из ближайших к нам видов в живых остались лишь шимпанзе, гориллы, орангутаны. И только потому, кстати, что долгое время наши среды обитания не пересекались. Сейчас их территория нам доступна, так что мы вполне можем поспособствовать вымиранию последних близких родственников. В принципе, мы это уже делаем.

Временной трюк

Те, кого встревожило известие об исчезновении обезьян, могут немного расслабиться. Во-первых, процесс эволюционного преображения — дело не быстрое. Не меньше 6,5 млн лет отделяют нашего дальнего-дальнего родственника — первого примата, который перемещался по саванне не только на четвереньках, но и, по всей видимости, на своих двоих, — от людей современного типа. Во-вторых, человечество может затормозить вымирание уязвимых и исчезающих видов, занимаясь их защитой. Так что речь тут идёт не о десятках и даже не о сотнях лет, а о более солидных отрезках времени.

Однако иногда эволюция совершает невероятные временные трюки — развитие происходит в предельно сжатые сроки. Так, например, случилось с накоплением когнитивных способностей у человека. Антропологи судят о формировании сообразительности, обучаемости и вообще разума по ископаемым останкам и артефактам, найденным на стоянках. Так вот, первые орудия охоты изготавливали ещё Homo habilis (2,3–1,5 млн лет назад); приручили огонь, скорее всего, Homo erectus (1,5 млн — 400 тыс. лет назад). Первые представители Homo sapiens появились примерно 200 тыс. лет назад и стали интенсивно развиваться: у них возникли ритуалы, они начали шить одежду, мастерить украшения и более совершенное оружие, рисовать в пещерах и разговаривать.

— Столь быстрое развитие психических функций и умений поражает. Понятно, почему многие отказываются верить в биохимическую природу сознания. Проще предположить, что тут не обошлось без божественного вмешательства или какого-нибудь чёрного параллелепипеда, как в «Космической одиссее» Кубрика. Дискуссии о генезисе разума идут до сих пор. Они не угаснут, пока исследователи мозга не найдут весомых аргументов в пользу биологической эволюции сознания, — рассуждает Филипп.

— Как ищет эти доказательства ваша научная группа?

— Мы следим за исследованиями антропологов, нейрофизиологов, эволюционных психологов. Последние, сравнивая поведение людей, шимпанзе и других человекообразных обезьян, выявляют когнитивные способности и поведенческие особенности, свойственные только людям. Мы учитываем эти данные и создаём на их основе дизайн собственных исследований, в которых тоже сравниваем разные виды. Используя масс-спектрометрию, высокопродуктивное секвенирование и биоинформатические алгоритмы, мы изучаем мозг человека и его ближайших родственников — ищем специфические различия в жировом составе мозга, в метаболизме, динамике образования синаптических контактов, параметрах активности генов, уровнях производимого ими белка. По сути, составляем карты метаболома, транскриптома, липидома и протеома мозга, на которых отмечаем найденные нами особенности, свойственные только человеку. А дальше формулируем гипотезы, доказав которые можно будет уверенно утверждать, что чёрный параллелепипед ни при чём.

— Каковы гипотезы?

— Мы взяли кусочек мозга из префронтальной коры у людей, шимпанзе и других приматов разных возрастных групп и увидели, что динамика формирования синаптических контактову человека не такая, как у остальных. У приматов контакты активно образуются в течение первого года жизни, иногда двух. У людей же этот процесс остаётся интенсивным на протяжении всего детства; дальше замедляется, но совсем не прекращается даже в старости. На наш взгляд, это тесно связано с тем, что некоторые когнитивные способности, например память и логика, у людей развиты лучше, чем у человекообразных обезьян.

Разрыв в развитии интеллектуальных способностей шимпанзе и человека одной из первых отметила российский зоопсихолог Надежда Ладыгина-Котс. Она взяла домой шимпанзёнка Иони, ровесника её полуторагодовалого сына, и стала воспитывать и обучать обоих. В первые месяцы детёныш обезьяны ничуть не отставал от человеческого, однако позже его успеваемость резко снизилась. В 1935 году Надежда написала книгу «Дитя шимпанзе и дитя человека», в которой утверждала: «Шимпанзе не почти человек, а совсем не человек».

Лабораторная центрифуга. При помощи центробежных сил она разделяет жидкие биологические смеси на компоненты.

— Мы решили обосновать гипотезу, что синаптогенез, то есть образование новых контактов между нейронами, коррелирует со сложными психическими проявлениями, свойственными только человеку, — продолжает Филипп. — И сравнили мозги здоровых людей и обезьян с мозгами пациентов, которым диагностировали аутизм. В итоге увидели, что у человекообразных приматов и аутистов синаптогенез нарушен похожим образом. То есть можно предположить, что эти изменения связаны с нарушением коммуникативных навыков, которые необходимы для формирования других когнитивных способностей.

— Ваши аспиранты как раз спорили, можно ли связывать обнаруженный у аутистов пониженный уровень глутатиона, который, как я понимаю, участвует в формировании синаптических контактов, с нарушениями психических функций. Илья был убеждён, что нельзя.

— Да, конечно, утверждать это нельзя. Однако можно предположить наличие некой корреляции. Это очередная подсказка к вопросу, как именно человек стал умнее своих ближайших родственников. И что самое интересное, она может объяснить, почему «поумнение» произошло так быстро. В случае с синаптогенезом возникает даже не новый процесс, а лишь изменение в динамике существующего — у обезьян ведь нейронные связи тоже образуются, просто менее интенсивно и лишь в течение первого года-двух. Не так уж много мутаций нужно, чтобы ситуация изменилась.

— И для доказательства гипотезы надо бы найти эти мутации?

— Совершенно верно. Можно даже создать модельный организм, например обезьяну, и изменить её гены по этому признаку в человеческую сторону. Если бы в результате она поумнела, это стало бы легендарным открытием.

— Но делать это никто не собирается?

— Нет. Это очень долго и дорого. Только на поиск мутаций можно потратить целую жизнь, а уж чтобы создать обезьяну... Да и чёрт его знает, кем это существо окажется, вдруг оно будет умнее нас? Не хотелось бы, — улыбается Филипп. — Но если серьёзно, гораздо разумнее сейчас не зарываться с головой в поиски неопровержимого доказательства этой гипотезы, а искать и собирать данные, выдвигать предположения. И только если все остальные версии окажутся пустыми, тогда можно будет лечь костьми и найти заветные мутации.

Шестиэтажная кора

Группа Хайтовича работает как бюро расследований. Главная задача — найти как можно больше улик: они позволят даже без поимки преступника реконструировать детали произошедшего.

— Мы посмотрели на активность генов в разных слоях коры головного мозга человека и нескольких видов обезьян, — рассказывает Филипп о ещё одном любопытном исследовании, которое могло бы пролить свет на эволюцию человеческого сознания.

В коре обычно обозначают шесть слоёв — по преобладающему виду нервных клеток (пирамидные, звёздчатые, веретеноообразные и др.). В плане нейронов состав довольно строгий как у человека, так и у обезьян. Однако команда Хайтовича совместно с коллегами из Курчатовского института обнаружила странные изменения, связанные с другими клетками мозга.

— Кору можно представить в виде шестиэтажного дома. Так вот, мы увидели, что у человека на нижних этажах коры есть популяции астроцитов с аквапориновыми рецепторами. А у шимпанзе и макак таких астроцитов на тех же этажах практически нет.

Аквапорины — это белки, которые помогают астроцитам создавать барь­ер между кровеносной и центральной нервной системами и защищают ткань мозга от нападения иммунных клеток крови.

— Почему астроциты оказались именно там?

— Пока мы даже предположить не можем. В любом случае таких изменений у человека в разы больше, чем у шимпанзе, а значит, это не фоновые колебания, а что-то существенное. Не могли же у нас без последствий мозги набекрень пойти!

Баги в голове

«На рисунке изображены различия в биохимических реакциях, происходящих в мозге человека и наших ближайших родственников — шимпанзе. У людей в N раз выше уровень транскрипции белков Х, Y и Z — это лежит в основе развитого социального поведения и способности человека осознавать своё „я“» — так прозаично школьные учебники будущего могут объяснять биологическую природу нашего сознания.

Многие загадки, казавшиеся непостижимыми даже мудрейшим представителям человечества, спустя годы или столетия сдавались под натиском исследователей и кололись как орехи. А дальше попадали на страницы учебников в виде законов, формул и теорем, которые теперь зубрят школьники, готовясь к сдаче ЕГЭ.

Но если разгадка феномена сознания уже не кажется такой туманной и далёкой, может быть, и создание искусственного интеллекта, подобного человеческому, не за горами?

— В Европе уже пять лет работают над крупнейшим проектом — нейроморфным компьютером Human Brain Project. Вы, кажется, знакомы с его основателем Генри Маркрамом. Что всё-таки это будет за штуковина — искусственный мозг, обладающий разумом, подобным нашему?

— Тут часто происходит смешение фантастического и практического аспектов. Когда говорят, что это воссоздание человеческого сознания на цифровых носителях — это фантастический бред. У проекта вполне прикладная цель. Искусственный интеллект сейчас развивается на классической компьютерной архитектуре. А создатели Human Brain Project собираются, изучив работу синаптических контактов мозга и другие биохимические процессы, сделать архитектуру, подобную мозгу. Если это получится, на ней можно будет запустить принципиально новый софт. Он будет обрабатывать информацию так же быстро, как наш мозг.

— Понятно. Значит, никакого сознания, никаких чувств...

— Вряд ли, да и к чему это? Не думаю, что Маркраму пришла бы в голову идея создать сознательный искусственный интеллект. Он не планировал получить ответ на вопрос, где прячется наше сознание; его задача — сделать принципиально новый суперкомпьютер, который будет моделировать всё, начиная с прогнозов доходности финансовых инвестиций и заканчивая дизайном новых лекарств, гораздо, на порядки, лучше, чем современные машины. Причём даже выгоднее, если этот интеллект будет не в полной мере похож на человеческий. У нас в голове куча багов, мешающих нормальной, ясной аналитической работе: когнитивные ошибки, расстройства внимания и памяти. Машина будет свободна от этих ограничений и максимально заточена под решение конкретных задач.

— Прям как по канону естественного отбора: побежда­ет тот, кто больше оптимизирован и лучше приспособ­лен.

— Да, если эту технологию создадут, понятно, кто будет доминировать в мире. Американцы окажутся в стороне. Китайцы тоже. Хотя они не дремлют и где-нибудь в подвале уже собирают свой искусственный интеллект. Ещё более прагматичный и оптимизированный.

Источник: kot.sh

Комментарии: