Диалоги (декабрь 2003 г.) - Александр Гордон

Александр Гордон

Диалоги (декабрь 2003 г.)

Эгоизм и альтруизм нейрона

Участники:

Анохин Константин Владимирович – член-корреспондент РАМН

Александров Юрий Иосифович – профессор, доктор психологических наук

Александр Гордон: …Звучит так, как будто нейрон – это некий отдельный живой организм, который обладает индивидуальностью. Тем не менее, мы знаем, что это всего-навсего («всего-навсего» в кавычках, конечно) клетка головного мозга. В чем подвох такого названия?

Константин Анохин: Мы хотим поговорить в этой передаче о нейроне как о клетке, имеющей свою «внутреннюю жизнь» и свои собственные «интересы». Мы хотим обсудить то, по каким принципам работает одна такая клетка и как работают коллективы из таких нервных клеток. То есть как, в конечном счете, работает целый мозг.

Для того чтобы серьезно обсуждать эту тему, нам нужно найти такой мост, который, с одной стороны, начинался бы от биологии отдельной нервной клетки, а с другой стороны, не терял бы ее места в функциях целого мозга, в осуществлении мозгом психических процессов.

В науках о мозге такой экспериментальный феномен известен. Он получил название «поведенческой» или «когнитивной» специализации нервных клеток.

Этот феномен состоит в том, что клетки в мозге, так же как и люди в человеческом сообществе, имеют разные профессии. Представьте себе, например, что в некоей стране возникла какая-то глобальная проблема, скажем, разразилась война. Даже в такой критической ситуации не все люди, живущие в этой стране, станут заниматься решением этой проблемы. А те, кто станут, будут делать это в соответствии со своими навыками, профессиями. Нейроны также имеют такие профессии в решении задач целого организма. Это было впервые обнаружено, когда удалось зарегистрировать активность отдельных нервных клеток тонкими электродами в мозге у бодрствующих животных и у человека во время нейрохирургических операций.

И мы хотели начать с короткого видеофрагмента, где показано, как это выглядит в реальном эксперименте.

Юрий Александров: Вы сейчас увидите пример того, как с помощью стеклянных электродов, которые вводятся в мозг животного, регистрируется активность отдельных клеток – нейронов во время осуществления этим животным инструментального пищедобывательного поведения. Вы увидите, как кролик, свободно передвигаясь в экспериментальной камере, нажимает на педаль. При нажатии на эту педаль ему автоматически подается кормушка, в которой находится порция пищи. В камере есть две педали и две кормушки. При нажатии на педаль, расположенную с одной стороны камеры, с левой, подается левая кормушка. При нажатии на педаль, которая справа, подается правая кормушка. И последнее, что надо сказать перед тем, как вы этот фрагмент увидите, что вы услышите, как работает мозг. Вы услышите импульсацию отдельной клетки мозга. Нейрон разряжается электрическими импульсами. И каждый из этих импульсов звучит потому, что мы подаем их после усиления на динамик. Когда нейрон активируется, т.е. сразу, за короткое время дает много импульсов, которые называются импульсной «пачкой», вы будете слышать характерный треск, соответствующий появлению пачки.

Давайте посмотрим. Вы видите, как кролик подходит к педали, и при этом нейрон активируется. Слышите? Это активация в поведенческом акте подхода к педали. И она появляется только в этом поведенческом акте. Когда кролик подходит к другой педали, расположенной у противоположной стенки экспериментальной камеры, активации нет. На следующем фрагменте, который вы сейчас увидите, та же экспериментальная камера, но в ней вместо двух педалей расположены два кольца. Регистрируется активность другого нейрона. Когда животное подходит к кольцу, чтобы его дернуть, нейрон активируется.

К.А. Дернув за кольцо, кролик получает корм в кормушке.

Ю.А. Слышите, активация данного нейрона четко связана с актом подхода к кольцу. Сейчас вы увидите, как животное перейдет на другую сторону экспериментальной камеры и там активации не будет. Активация наблюдается только на одной стороны камеры и только в одном поведенческом акте. Сейчас будет, я надеюсь, этот переход.

К.А. А кролик этому поведению обучался. То есть, это часть его индивидуального, присущего только ему субъективного опыта. Который, как мы видим по работе нейронов, организован очень избирательно. Могло бы показаться, какая разница, что два кольца, все равно это один и тот же объект. Но нервные клетки мозга кролика показывают, что для животного это не так.

Ю.А. Сейчас Костя очень важную вещь сказал. Основываясь на данных наблюдения за активностью нейронов, мы можем понять, на какие «куски» делят мир животные. Как бы посмотреть глазами животного на мир. Заметьте, что если сравнить данные, полученные при анализе активности нейронов животных разного вида, можно выяснить, чем различаются их миры.

А.Г. А сейчас он у другого кольца. И никакой активации.

Ю.А. Активации нет, есть лишь одиночные, редкие разряды, которые называются фоновыми. Теперь, пожалуйста, следующую картинку. На этой картинке я быстро покажу, как выглядит импульсация нейрона, которую вы только что слышали, при специальной статистической обработке. Видна активация нейрона. Эта активация видна на том фрагменте, где написано «правая сторона». Этот нейрон активируется, когда животное подходит и нажимает на педаль, расположенную у правой стенки экспериментальной камеры.

А.Г. То есть, мы сейчас видим то, что слышали.

Ю.А. А с левой стороны камеры активации нет. Кроме того, видно, что когда при регистрации одного и того же нейрона педаль заменили на кольцо, то при подходе к кольцу и его потягивании активации нет. Опять поставили педаль вместо кольца, и активация вновь появилась. Активация здесь выглядит как черный холмик.

А.Г. То есть, этот нейрон отвечает только за педаль с правой стороны.

Ю.А. Верно, он отвечает, грубо говоря, за педаль с правой стороны. И следующую картинку, пожалуйста. На ней демонстрируется нейрон, который отвечает за кольцо с левой стороны.

А.Г. И на педаль не реагирует.

Ю.А. С правой стороны у этого нейрона активации нет, а с левой стороны он активен, когда педаль заменили на кольцо. Затем, видите, красная надпись – педаль. Активации нет. А потом опять ставят кольцо, и появляется активация. Черные черточки – это как раз те разряды нейрона, которые мы слышали при демонстрации видеофильма. А теперь, может быть, рассказать о подобных данных существующих?

К.А. Я бы еще только добавил, что хотя мы каждый раз видим лишь один нейрон, но, вообще-то говоря, это не один нейрон в мозге ведет себя таким образом. Всегда существует группа, команда нейронов, разбросанных по разным структурам мозга, которые будут практически неотличимы по данным такой регистрации. Одни будут нейронами левой педали, другие – правой педали. Одни одной кормушки, другие другой кормушки.

А.Г. То есть группа клеток отвечает за это.

К.А. Да, целая команда. Поэтому, когда мы видим одну такую клетку, то знаем, что на самом деле в мозге работает целая система таких клеток. И в следующий раз в мозге этого животного мы найдем другую специализированную таким же образом нервную клетку.

Ю.А. Мы считаем, что, регистрируя импульсы одной клетки, мы можем судить о работе группы клеток, выполняющих сходную роль в обеспечении поведения. То есть, активация одной клетки является показателем работы целой группы.

К.А. Одна, она не могла бы осуществить это поведение.

Ю.А. Я бы хотел еще добавить, что данные, которые я показывал, получены в нашей лаборатории Р.Г. Аверкиным, Ю.В. Гринченко и А.А. Созиновым.

К.А. А вообще подобных данных очень много. Они показывают, что мозг у самых разных организмов, от беспозвоночных до человека, работает по этому принципу. И вы сейчас услышали, как «разговаривают» эти нейроны.

Это вообще очень захватывающее чувство, увидеть и услышать, как и когда в поведении работают отдельные клетки мозга. В 70-х годах прошлого века многие нейрофизиологи увлеклись исследованиями того, как работают клетки в бодрствующем мозге. Рэнк-младший (Ranck) нашел, например, нейроны «зеленого крокодильчика». Он регистрировал нейроны в мозге у крысы, которую он пускал в лабиринт, где находились разные предметы. Была там и игрушка маленького зеленого крокодильчика. И он нашел в мозге нейроны, специализированные только относительно контактов крысы с этой игрушкой. А примерно в это же время в 1971-м году Джон О’Киф (John O’Keefe) и Достровский регистрировали нейроны у крыс в структуре мозга, которая называется гиппокампом. Выпуская животных в открытую арену, они обнаружили, что некоторые нейроны работают лишь в определенных местах пространства. Причем, не важно, как движется животное через это место. На следующем рисунке показан один из таких нейронов и его разряды при передвижении крысы по арене. На левом рисунке траектория передвижения животного идет сверху вниз, и красными точками показано, когда именно работает нейрон. Он работает только в одном месте. В другой раз, как показано на правом рисунке, животное проходит через это же место в совершенно ином направлении. Но когда оно туда попадает, этот нейрон опять начинает разряжаться. Более того, экспериментатор может даже взять животное и пронести рукой над этим местом. И этот нейрон будет снова работать.