Где-то в саванне рождается газель. Мама облизывает новорожденную – и вот она уже неуверенно шагает, готовая бежать. На песчаном берегу вылупляется маленькая черепашка. Она сидит со своими братьями и сестрами под песком, пока внезапно все вместе не выкапываются на поверхность и со всех своих лап спешат прямо в море. Задумывались ли вы, как животным удается делать так много сразу после рождения?
Чтобы мозг мог полноценно функционировать, он должен быть правильно “подключен”. Человеческий мозг содержит около 86 миллиардов нейронов, каждый из которых соединен через тысячи синапсов с другими нейронами. Некоторые нейроны связаны со своими соседями, другим приходится прокладывать себе путь на протяжении многих сантиметров (иногда даже до метра). Способ формирования этих связей десятилетиями был предметом дискуссий: насколько он заложен в геноме и насколько формируется под воздействием опыта? До недавнего времени дебаты сводились к компромиссу: и то, и другое играет свою роль.
Однако недавнее исследование занимает четкую позицию. Оказывается, опыт (чувственный, двигательный и т. д.) не только не является обязательным, но и в целом нейронная активность – электрические сигналы в нейронах, позволяющие им общаться, – также не нужна. Мозг “подключен” и готов к работе, основываясь исключительно на генетике. Исследование проводилось радикальным методом: чтобы выяснить, необходима ли нейронная активность для развития, ученые полностью ее устранили.
“Насколько важна активность для развития нейронных сетей, […] просто не было известно. […] Мы решили провести эксперимент на личинках рыбок данио-рерио, потому что на данный момент это единственное позвоночное […], у которого можно обратимо блокировать всю активность на протяжении всего развития”, – рассказывает ведущий автор исследования доктор Флориан Энгерт, профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета. “Это не был эксперимент, в котором мы ожидали определенного результата. Мы [были] открыты для всего”.
Ранее было показано, что удаление нейронной активности или опыта влияет на нормальное развитие, но эти возмущения носили локальный характер. Это создавало дисбаланс в мозге, что приводило к компенсации со стороны незатронутых областей. По словам доктора Энгерта, мозг чувствителен к возмущениям и всегда стремится к равновесию, что объясняет эффекты, наблюдаемые в этих экспериментах.
“Отключение” всего мозга на несколько дней – задача не из легких. Исследователи использовали препарат под названием трикаин, который блокирует электрическую активность нейронов. Им нужно было убедиться, что у рыб не развивается чувствительность к препарату. Также они выяснили, что под воздействием света препарат распадается на токсичные соединения, поэтому им пришлось выращивать рыб в темноте. Но после нескольких этапов тестирования им удалось успешно провести эксперимент. Для взрослых рыб это может быть смертельно опасно, но личинки выжили! Они были достаточно малы, чтобы дышать через кожу и питаться из своего желточного мешка. Оказывается, для того, чтобы расти, мозг не нужен.
Чтобы проверить, повлияло ли это “отключение” на рыб, ученые протестировали их оптомоторную реакцию (ОМР), при которой данио-рерио поворачиваются, чтобы выровняться по скорости и направлению движения всего поля зрения. Считается, что это позволяет им оставаться неподвижными в движущемся потоке. ОМР и лежащие в ее основе нейронные цепи очень хорошо изучены у данио-рерио, что делает их идеальными для данного исследования. “[ОМР] требует временной интеграции, накопления доказательств и управления усилением, […] что связано с обучением, памятью и принятием решений”, – говорит доктор Энгерт. “Так что [она] фактически охватывает многие другие аспекты поведения высшего порядка, подобного когнитивному”.
После трех дней жизни в воде, настоянной на трикаине, личинки данио-рерио очнулись от лекарственного оцепенения с неповрежденными нейронными цепями, готовыми выполнять ОМР. Отсутствие нейронной активности не оказало никакого влияния – мозг рыбы содержал все необходимое в своем геноме.
“Соединение и первоначальная сборка коннектома происходит в три этапа. Первый – это дифференциация и положение сомы. Вы помещаете все отдельные единицы в нужное место и даете им нужные сигналы. Второй – рост аксонов, проведение аксонов по морфогенетическим градиентам, и все это под генетическим контролем. И финальный этап – клеточно-клеточное распознавание, поиск своих синаптических партнеров”.
“По сути, у всех животных большинство важнейших, если не все, модели поведения уже заложены к моменту, когда животное начинает взаимодействовать с миром”, – говорит доктор Энгерт. “Знания, компетенции и навыки, опыт, когнитивные способности – все это уже заложено в геноме. Ни у одного животного нет ничего критически важного, чему нужно учиться”.
Так значит, все жестко запрограммировано? По словам доктора Энгерта, это не совсем детерминизм. В мозге позвоночных также присутствует “стохастический элемент проводки”.
Если мы рождаемся готовыми к жизни, то что происходит после рождения? Во-первых, “вам нужно постоянно перенастраиваться, потому что все еще меняется”, поскольку ваше тело продолжает расти:
“Если вы хотите понаблюдать за калибровкой в действии, посмотрите видеоролик с новорожденным жеребенком. В течение первых десяти минут он неуверенно ковыляет, но вы можете видеть это в режиме реального времени. Вы можете видеть […], как система калибрует себя”.
Возможно, жеребенок способен бегать вскоре после рождения, но видели ли вы человеческого младенца? По словам доктора Энгерта, люди, как и обезьяны и другие животные, по сути, рождаются недоношенными. Это не значит, что опыт после рождения необходим для раннего развития. Кроме того, как люди, мы зависим от большого количества приобретенных знаний, поскольку язык играет центральную роль в нашем социальном и когнитивном поведении. Полноценно функционирующему человеку для формирования мозга требуется больше опыта, чем тот, который присутствует при рождении.
Проблема того, насколько наш мозг “подключен” без опыта, так сказать, из коробки, интересна и для нейронных сетей. “Исследования в области искусственного интеллекта и вычислительной нейробиологии показали, что слабо структурированные модели могут обучаться выполнению сложных задач”, – говорят авторы. Но в отличие от большинства нейронных сетей, основная часть функциональных связей мозга устанавливается без обучения.
Исследование опубликовано в журнале Nature communications.
Читайте также: Человеческий геном, музыка, медицина и исцеление
