Новейшие исследования человеческого мозга: 11 измерений для нейронов и формула интеллекта

Несмотря на все развитие науки и техники, человек так до конца и не разобрался с одним из важнейших вопросов: как же все-таки работает серая штуковина в нашей голове, которая заставляет развивать науку и технику и задаваться всеми этими вопросами. Получается любопытная рекурсия: что-то внутри нас хочет узнать, как работает то, что хочет узнать, как оно работает. На это тратятся колоссальные ресурсы, проводится множество исследований, мы более-менее понимаем общие принципы, но сложить все в единую стройную картинку достаточно сложно.

Зато это настолько интересно, что "Сегодня" собрала все последние исследования о головном мозге и выяснила, как работает интеллект, почему мы видим сны и сколько измерений используют нейроны головного мозга, чтобы обрабатывать входящие сигналы. Добро пожаловать в вашу голову — и не бойтесь того, что вы там увидите.

11 ИЗМЕРЕНИЙ: КАК ОБЩАЮТСЯ НЕЙРОНЫ

Проект Blue Brain, базирующийся в Швейцарии, уже несколько лет занимается неблагодарным делом: нейробиологи пытаются выяснить все о головном мозге человека (и прочих существ, обладающих этим органом). В последнем исследовании они применили к нему математику (точнее — алгебраическую топологию, которая описывает свойства объектов и пространств вне зависимости от изменений их формы) и ахнули от удивления. Не ждите каких-то выводов, сами ученые пока не понимают, с чем столкнулись, однако начало достаточно интригующее: внутри нашей головы находится, говоря математическим языком, многомерное пространство.

Наш мозг — это примерно 86 миллиардов нейронов, связи между которыми простираются во всех направлениях, образуют сверхсложную сеть, которая и формирует сознание.

В своем эксперименте нейробиологи использовали подробную компьютерную модель неокортекса — это "новая кора", самая современная часть мозга, которая сформировалась позже всего и отвечает за сознание и восприятие. В процессе моделирования прохождения сигналов ученые заметили, что нейроны объединяются в группы, и число нейронов в этих группах показывает размер многомерного геометрического объекта.

"Мы обнаружили мир, о котором даже не подозревали, — рассказывает руководитель проекта Генри Маркрам. — Даже в маленькой крупице мозга таких объектов десятки миллионов, у которых до семи измерений. А в некоторых сетях их число доходило до 11".

Разработав модель, ученые протестировали ее на виртуальных стимулах, а затем взялись за крыс. Cигнал создает "многомерные дома" из нейронов и пустых пространств между ними. Сначала связь выглядит как палочка, затем — двумерная плоскость-доска, затем — куб, а потом и более сложные фигуры с четырьмя, пятью, шестью измерениями. И так вплоть до 11. Стоит, впрочем, отметить, что речь не идет о физических измерениях — внутри нашего мозга нет других мозгов, спрятанных в скрытых складках реальности. Многомерность тут — это количество связей, которые образовывают нейроны. Мы в этом плане тоже многомерны: сколько людей, с которыми общаетесь в данный момент, столько и измерений. Единственная проблема — ученым еще предстоит разобраться, почему группы нейронов собираются в такие конструкции.

МАТЕМАТИКА: ФОРМУЛА ИНТЕЛЛЕКТА

Ведущий нейробиолог Университета Августы в Джорджии доктор Джо Тзин считает, что вывел формулу интеллекта: N = 2i – 1. А еще, как говорит сам доктор, интеллект равен
"неопределенность и бесконечные возможности". Но это лирика, а нам следует обратиться к работе, опубликованной в Frontiers in Systems Neuroscience, в которой Тзин сотоварищи проверил свою теорию и выяснил, что она выполняется для семи различных областей мозга, определяя базисы вроде кормления, памяти и страха.

17 лет назад Тзин с помощью генной инженерии создал "умную мышь", которая обучалась и решала сложные лабиринты быстрее обычных собратьев. Спустя пару лет он обнаружил, что клетки гиппокампа мышей — центра памяти мозга — варьируются в зависимости от происходящих событий. Одни включались на событие в целом, другие были более придирчивыми и "разбирали" происходящее на элементы. При составлении карты Тзин заметил, что нейроны формируют кластеры — от специфических к общим. Это и стало основной теории связанности: формула ученого демонстрирует, как нейросети совершают этот переход.

Главная мысль Тзина в том, что отдельный нейрон не может стать основной вычислительной единицей мозга, эту роль на себя берут нейросети, называемые "кликами", что позволяет мозгу не ломаться каждый раз, как нейрон выходит из строя, потому что вы отравили его алкоголем. Простые клики переплетаются в большие сети, которые называются FCM (functional connectivity motifs — функциональные мотивы связей) в соответствии с N = 2i – 1, где N — это число нейронных клик, соединенных разными спосо­бами, а i — типы полу­ча­емой информации.

Если животное хочет пищи и самок, нужно три нейроклики, чтобы удовлетворить эти потребности

К примеру, у вас есть животное, которое хочет пищи и самок. То есть i = 2. Соответственно, чтобы удовлетворить эти потребности, нужно три клики (2 х 2 – 1 = 3). Это напоминает кубики конструктора, из которых можно строить разные структуры в зависимости от поступающей информации. Более сложные задачи требуют более сложных построений, но основной принцип остается тем же. Причем, по мнению Тзина, эти блоки программируются заранее. В смысле в нашей голове уже есть ответы практически на все вопросы (или алгоритмы их решения). Так мозг смешивает "работу" и "деньги", превращая их в "экономику".

Чтобы подтвердить ценность самой формулы, ученые засунули в мозг мышей электроды и дали им корм, сахар, рис и обезжиренное молоко. Согласно теории, мышам надо 15 нейронных клик, чтобы полностью представлять каждый тип пищи и их комбинации. Стоит ли говорить, что именно 15 клик и было обнаружено? Повторив эксперимент со страхами (взрыв, землетрясение, падение, удар током), исследователи снова получили 15 клик.
Чтобы удостовериться, что этот алгоритм уже существует в мозгу, а не выучивается, эксперимент повторили, но с генетически модифицированными мышами, у которых не хватало рецепторов, необходимых для изменения нейросетей из-за обучения. Результат повторился.

Что с этим делать, пока неясно. Сам Тзин считает, что его теория позволяет пересмотреть хранение воспоминаний в мозгу и прольет свет на то, как болезнь и старость влияют на мозг на клеточном уровне. А еще это позволит обучать искусственный интеллект гибкости и любопытству, но это уже совсем другая история.

Улучшенная мышь Дуги. Ее доктор Тзин создал 17 лет назад. Фото: www.princeton.edu

ПОМНИТЬ, ЛЕЧИТЬСЯ, ВЫЖИВАТЬ: ЗАЧЕМ ВИДЕТЬ СНЫ

Как-то уж так получилось, что у всего на этой планете есть причина. В том числе и у такой бестолковой на первый взгляд вещи, как сны. Мы насчитали аж десять. Переспите с этой мыслью и выбирайте сами, какая вам больше нравится.

• Чтобы шляпа оставалась шляпой

Сознание каждого из нас — жестокий и страшный цензор, подавляющий агрессивные и сексуальные инстинкты, и только во сне бессознательное раскрывает всю подоплеку и срывает покровы морали! Так сказал Фрейд, он создал психоанализ и вообще носил красивую бороду, похожую на... хм, спокойной ночи!

• Чтобы улучшить самочувствие

Другие, не менее злобные исследователи, пошли дальше и вовсе не давали людям видеть сны — как только начиналась фаза БДГ, пациентов будили. Выяснилось, что сон без сновидений — так себе затея: участники эксперимента стали напряженными, у них появлялись трудности с концентрацией, координация нарушалась, увеличивался вес и вдобавок появились галлюцинации.

• Чтобы лечиться

Многие психологи считают, что зачастую человеческому существу сложно отделить событие от сопровождающих его эмоций. В смысле вы, конечно же, не зря убежали от того страшнючего кролика и полдня вопили от ужаса, представляя его жуткие уши и мрачный взгляд.

Но разобраться, насколько сильно он угрожал вашей жизни, поможет именно сон, который как бы отделит сильную эмоцию вроде страха, любви или печали и поможет мозгу обработать отдельно событие, отдельно чувство и вообще взглянуть на происходящее под другим углом, докопавшись до самой сути гнева или счастья, так внезапно свалившегося на вашу голову. Так что в любой непонятной ситуации и вправду лучше поспать.

• Чтобы помнить

Целый день часть мозга под названием гиппокамп работает, не покладая нейронов, чтобы накопить все-все важные воспоминания (купить молоко, лицо той девчонки, как называется и напевается новая песня). А во сне, как показывают исследования, гиппокамп перекачивает весь этот поток в кору головного мозга. Причем иногда воспроизводит весь день в обратном порядке. Так что постарайтесь хорошо отсыпаться после дня, полного ярких впечатлений.

• Чтобы не было расстройств

В 2009-м ученые из Гарварда провели исследование, которое нашло странную связь между сновидениями и биполярным расстройством. Мало того, проблемы со сном у детей и взрослых повышают риск развития этого самого расстройства. Это вся связано с тем, что прерывание БДГ-сна влияет на уровни нейротрансмиттеров и гормонов стресса, а гормональные дисбалансы приводят к психическим расстройствам. Так что смотрите свои сны и не сходите с ума.

• Чтобы успокоиться

В 2009 году пятеро исследователей нашли 35 здоровых студентов и 20 депрессивно-тревожных и заставили их спать. А затем будили — спустя 10 минут в фазе быстрого движения глаз (БДГ), когда мозг работает активно и мы видим сны, и спустя 10 минут в фазе не-БДГ (когда мозг успокаивается). После чего несчастных заставляли проходить тесты на память, настроение и самооценку. Что и требовалось доказать: депрессивно-тревожные студенты видели во сне агрессию и самоистязание, но БДГ-сон странным образом помогал им справляться с этими эмоциями.

• Чтобы обрабатывать информацию

Оказывается, во время БДГ-сна мы создаем абстракции. В смысле берем какие-то новые понятия и связываем их с тем, что уже знаем или хотя бы отдаленно понимаем. Исследование показало, что сны возникают, когда мы начинаем осознавать эти связи (фрагменты звуков, изображений и движений). Мозг как бы пытается понять, что происходит, и рисует фантасмагорическую, но очень логичную на тот момент картинку из разных обрывков, параллельно и вправду укладывая информацию кирпичик за кирпичиком, пока мы смотрим мультики.

• Чтобы быть фоном

С 1977 года некоторые скучные ученые, создавшие модель активации-синтеза, думают, что лимбическая система нашего мозга время от времени активируется, "загораясь", и включает какие-то там рандомные картинки. Просто потому что может. Так что сны — это как бы интерпретация биологических сигналов, а все сонники выдумали идиоты. Впрочем, тут же извиняются авторы теории, эти наборы картинок все же несут положительную функцию и помогают нам создавать новые идеи.

• Чтобы приспособиться

Бодрствуя, мы (и все остальные сновидцы планеты) совершаем ошибки, которые могут привести к нежелательным последствиям вроде смерти. А вот во время сна превращаемся в экспертов по безопасности, прячемся в самом-самом защищенном месте и сохраняем жизнь. Эта поведенческая стратегия, в общем-то, помогла выжить множеству живых существ, которые финишировали в естественном отборе. Но вот что забавно: стоит одной ночью провести в фазе БДГ-сна меньше времени, как следующей организм стремится наверстать упущенное и показывает сны дольше! Так что спокойно гоняйтесь за розовыми диванами на улиткоцикле с крыльями летучей мыши — это эволюционно.

• Чтобы отбить атаку

Финские исследователи из Университета Турку придумали такую штуку, как "теория стимуляции угрозы". Они обнаружили, что дети, которые живут в опасных условиях (неблагополучные семьи, неблагополучные страны) или были так или иначе травмированы, видят более яркие сны, чем те, что живут в спокойных условиях. И система стимуляции угроз у них работает лучше: во время сна они как бы репетируют работу механизмов восприятия, позволяющих воспринимать и избегать опасности! Так что не бойтесь бояться во сне, это поможет, когда за вами на самом деле погонится гигантский шмель с бензопилой.