Исследования мозга и личности, перспективы эмуляции сознания. Август 2019

В ежемесячном обзоре экспертной группы проекта Технологии Долголетия мы постарались собрать наиболее значимые открытия в области исследований мозга и личности и перспектив эмуляции сознания. В обзор регулярно включаются работы по нейропротезированию и нейрореабилитации, новые методики картирования мозга, работы, посвященные машинному обучению в нейронауке, успехам в применении и разработке нейроимплантов и зондов, выращивании органоидов мозга.

С большим вниманием мы следим за международными проектами по картированию и исследованиям мозга.

____________________________________________________________________________________________

Редактирование воспоминаний человека. Обзор в Nature

В обзоре исследователи из Гарвардского университета описывают последние достижения в редактировании памяти (а точнее, отдельных эмоционально окрашенных воспоминаний) и их возможное применение в современной клинической практике. При этом оптогенетика, которая показывает значительные перспективы для редактирования эмоциональных воспоминаний у животных или ингибиторы синтеза белка, которые блокируют синаптические изменения сразу после обучения остаются за рамками. Эти подходы слишком агрессивны для использования в клинике и, как правило, небезопасны для людей.

В обзоре подробно рассматриваются два «окна», когда редактирование памяти у людей возможно: периоды консолидации и реконсолидации памяти.

Например, редактирование консолидации памяти возможно с помощью нейрогормональных изменений. У людей, события, вызывающие эмоциональные переживания, связаны с улучшенной консолидацией памяти по сравнению с нейтральными событиями. Поэтому введение гормонов стресса непосредственно после запоминания может улучшить память на события, имеющих эмоциональное значение. При этом системное введение пропранолола снижает эмоциональное возбуждение и может приводить к ухудшению запоминания травматического или болевого опыта.

Возможность редактирования реконсолидации памяти связывают с моделями аверсивного обучения. Блокаду реконсолидации эпизодической памяти у людей вызывает электросудорожная терапия, которая, как известно, также нарушает консолидацию памяти (художественная интерпретация этих результатов есть в эпизоде «Белый медведь» в сериале «Черное зеркало»).

Способность памяти интегрировать актуальную информацию в момент реконсолидации также используют для редактирования отдельных воспоминаний в основном через психотерапию (например, экспозиционная терапия или «образный рескриптинг», когда потерпевший многократно представляет благоприятный исход травматического события) с поддерживающей положительные результаты лекарственной терапией. Здесь опять идет речь о пропранололе.

В заключении обзора, по-прежнему, никакой фантастики. Современные методы редактирования памяти (по крайней мере публично известные), по-видимому, способны только изменить некоторые воспоминания, но не стереть их выборочно.

____________________________________________________________________________________________

Управление нейронными сетями со смартфона

Нейрофармакология in vivo и оптогенетическая стимуляция могут быть использованы для расшифровки нейронных схем и помочь в выборе терапевтических стратегий при заболеваниях головного мозга.

Группа исследователей из Корейского передового института наук и технологии и Вашингтонского университета разработала устройство, которое может воздействовать на нейронные сети с помощью нейроимпланта, управляемого со смартфона.

Беспроводной нейроимплант имеет мягкий уретановый зонд, толщиной не больше человеческого волоса, который состоит из микрофлюидных каналов и светодиодов. Устройство способно обеспечить непрерывную химическую и оптическую нейромодуляцию. Теперь исследователи могут воздействовать прицельно на нейронные сети в течение нескольких месяцев, так как имплант снабжен системой сменных картриджей.

В работе исследователи продемонстрировали использование зондов для контроля двигательной активности мышей в течение более четырех недель с помощью программируемой беспроводной доставки лекарств и фотостимуляции. При этом исследователи могли задавать любую последовательности доставки препаратов в избранные нейронные цепочки не присутствуя физически в лаборатории.

Данная технология позволяет не только лучше понимать воздействие различных препаратов при терапии Паркинсона, Альцгеймера и депрессии, но и увидеть как специфические нейромодуляторы в мозге по-разному влияют на поведение. Команда исследователей планирует усовершенствовать свое изобретение для клинического использования у людей.

____________________________________________________________________________________________

Исследователи научились создавать визуальные галлюцинации у мышей

Команда ученых из Стэнфорда и Колумбийского университетов с помощью методов оптогенетики исследовала неокортекс мыши во время визуального распознавания и смогла фактически создать зрительную галлюцинацию у мышей.

Подопытным животным предъявляли в качестве стимула видеозапись вертикальных и горизонтальных вибрирующих линий и выработали у мышей рефлекс: реакция на полосы одного типа – одно действие, а на другие полосы – другое.

В мембраны нервных клеток мышей предварительно встроили красный каналородопсин — белок, позволяющий увидеть какие нейроны были активны при различных визуальных стимулах. Разработанная исследователями технология позволяла записывать нейронную активность в десятках отдельных нейронов в зрительной зоне V1 мыши и считывать влияние стимуляции на активность нисходящей сети в сотнях соседних нейронов.

Далее исследователи записали активность мозга в то время, как мышь видит полосы — вертикальные или горизонтальные. В эксперименте удалось записать активные нейроны, а потом те же самые нейроны искусственно возбудить. Оказалось, что подача записанного сигнала, соответствующего горизонтальным линиям, у мыши вызывает выполнение рефлекса на горизонтальные линии (без реального предъявления визуального сигнала), а подача сигнала, соответствующего вертикальным линиям, вызывает выполнение действия, связанного с вертикальными линиями. То есть, учеными был записан и возвращен в мозг сигнал, имеющий некий конкретный смысл.

«Таким образом, впервые было показано, что конкретный образ внешнего мира внутри мозга можно записать, затем воспроизвести, и он будет восприниматься как текущий сенсорный опыт. То есть мышь вела себя так, как будто она видит эти линии в реальности, и это все происходит непосредственно в текущий момент», — прокомментировал Виталий Дунин-Барковский заведующий Отделом нейроинформатики Центра оптико-нейронных технологий НИИСИ РАН.

____________________________________________________________________________________________

Записаны «пульсации» гиппокампа с вживленных электродов у людей

Ученые из института Вейцмана успешно зарегистрировали быстрые вспышки синхронной активности нейронов, называемые пульсациями гиппокампа.

«Пульсация — это удивительное событие по интенсивности. Синхронная активация около 15% нейронов гиппокампа в течение примерно одной десятой секунды. Это просто фейерверк нервных клеток», — объясняет ведущий исследователи проекта, профессор Рафи Малах. Впервые было обнаружено, что пульсации появляются во время сна или состояния отдыха и играют важную роль в пространственной памяти грызунов. Только недавно было обнаружено, что такая синхронная электрическая активность в больших группах нейронов также возникает в гиппокампе приматов в бодрствующем состоянии.

В ходе эксперимента пациентам были представлены яркие цветные изображения со множеством деталей и изображением лиц известных людей (например, Барака Обамы, Умы Турман) или знаменитых памятников (например, Статуи Свободы, Пизанской башни). Пациентов просили запомнить эти картинки как можно подробнее. После стадии просмотра изображений и после короткой задачи на отвлечение их просили с закрытыми глазами вспомнить фотографии и описать их в деталях. На протяжении всего эксперимента записывалась речь пациентов одновременно с соответствующей ей мозговой активностью, которая регистрировалась с помощью электродов, имплантированных как в гиппокамп, так и в других областях головного мозга.

Исследователи обнаружили, что всплеск синхронной активности происходил за одну или две секунды до того, как пациент вспоминал, и начинал описывать новую картину, которая была ему до этого показана. Когда испытуемые вспоминали изображения, которые они уже видели, пульсации гиппокампа также возникали за одну или две секунды до этого.

Исследование показало, что пульсации в гиппокампе были синхронизированы с активацией коры, особенно в зрительных центрах, где хранится визуальная информация.

Это исследование расширяет понимание нейрональных механизмов формирования и восстановления памяти.

____________________________________________________________________________________________

Сильные воспоминания отличает избыточность кодирующих групп нейронов

Исследователи из Калифорнийского технологического института показали, что сильные, стабильные воспоминания кодируются «командами» нейронов, которые работают синхронно и обеспечивают некоторую «избыточность», которая позволяет этим воспоминаниям сохраняться в течение долгого времени.

Команда разработала тест для изучения нейронной активности мышей, когда они исследуют и запоминают новое пространство. В тесте мышь помещали в вытянутый ящик длиной около полутора метров с белыми стенками. Ориентиры наносили на различные места вдоль стен и в центре, угощение (сладкая вода) помещали в любом из дальних углов ящика. В то время как мышь исследовала пространство, исследователи измеряли активность определенных нейронов в ее гиппокампе.

Когда мышь оказывалась в новом месте впервые и случайно сталкивалась с угощением, лишь небольшая часть нейронов активировалась, когда мышь заметила ориентир на стене. Но после нескольких попыток, мышь познакомилась с пространством и все больше и больше нейронов активизировались синхронно, реагируя на ориентиры. По сути, мышь знала, где она находится относительно каждого уникального ориентира.

После перерыва в 20 дней мыши, у которых сформировались сильные воспоминания, закодированные большим количеством нейронов, быстрее вспомнили, где находится угощение. Другими словами, использование избыточных групп нейронов позволяет мозгу вспомнить информацию, даже если некоторые из исходных нейронов замолкают или повреждаются.

Таким образом, чем больше вы практикуете какой-либо навык или действие, тем больше появляется число нейроны, которые кодируют его.

Общепринятая теория постулирует, что для того, чтобы сделать память более стабильной, требуется укрепление связей с между нейронами. Нынешние результаты показывают, что увеличение количества нейронов, кодирующих одну и ту же информацию, позволяет ей сохраняться дольше.

___________________________________________________________________________________________

Ученые из МФТИ представили мемристор второго рода на базе оксида гафния

Группа исследователей представила устройство, напоминающее своей работой биологический синапс. Мемристор способен не только запоминать информацию, но и естественным образом «забывать» ставшие ненужными данные. В теории мемристоры могут стать основой для нейроморфных компьютеров с аналоговой архитектурой, имитирующих обучение биологического мозга.

Нейроморфные компьютеры — носители искусственного интеллекта — воспроизводят устройство мозга. При этом нейроны и связи между ними (искусственные синапсы) можно реализовать цифровым или аналоговым способом. В первом случае они представляют собой математические модели, использующие компьютеры с обычной цифровой архитектурой. Во втором случае узлы и связи нейросети.

Несколько лет назад был разработан мемристор второго рода, который воспроизводит усиление и ослабление связей между нейронами мозга. Физически естественную память можно реализовать по-разному. Один из вариантов — формирование в мемристоре проводящих ток мостиков из наночастиц. Эти мостики снижают сопротивление, но со временем естественным образом распадаются, что соответствует забыванию информации. В этой работе исследователи реализовали мемристор второго рода в виде сегнетоэлектрического туннельного перехода — двух электродов, между которыми проложена тонкая пленка сегнетоэлектрика, оксида гафния.

«Недостаток этого решения в том, что в течение работы устройство ощутимо меняет свое поведение, а в какой-то момент не выдерживает и разрушается, — рассказывает ведущий автор исследования Анастасия Чуприк из лаборатории нейровычислительных систем МФТИ. — Мы использовали более надежный механизм, который продемонстрировал впечатляющий запас прочности: после проверки на 100 млрд циклов переключения система почти не изменила свои свойства и коллеги отчаялись исчерпать ресурс ячейки памяти».

Автор обзора: Екатерина Шахбазян

Источник: m.vk.com

Комментарии: