Мозговой трест. 40 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

Корреляция. Записи электрических сигналов клеток 204 показали, что нейроны всегда активизируются непосредственно перед тем, как животное начинает плавать, и остаются активными все время, пока оно плавает, – то есть активность клеток коррелирует с процессом плавания. Обратите внимание: даже этот самый слабый тест на причинно-следственную связь мог бы опровергнуть наше предположение в том случае, если бы клетки 204 не были активны во время плавания. Иными словами, с помощью теста на корреляцию можно опровергнуть гипотезу – но не подтвердить ее.

Достаточность. Стимуляция одной клетки типа 204 (одного из приблизительно 10 тысяч нейронов центральной нервной системы пиявки) заставляла животное плавать. Мы пришли к выводу, что активации одной клетки 204 достаточно, чтобы пиявка начала плавать. Но этот тест не доказывал, что активация клетки 204 – единственный способ вызвать плавательные движения. Нужны были дополнительные тесты.

Необходимость. Деактивация одной клетки 204 (путем пропускания через нее электрического тока, вызывающего торможение) снижала вероятность того, что стимуляция нерва заставит животное плавать. Это значит, что активность клетки 204 необходима для плавания – по меньшей мере частично. (В нервной системе пиявки 12 клеток типа 204, и только две из них можно контролировать одновременно; этот факт объясняет, почему вероятность плавания лишь снижалась, а не сводилась к нулю.)

По итогам этих экспериментов, а также аналогичных опытов с нервной системой других животных клетки типа 204 были признаны «командными нейронами» – их активация вызывает определенные действия (то есть «подает команду» к этим действиям). Считается, что командные нейроны связывают сенсорный вход с моторными зонами мозга: они принимают входящие сигналы от сенсорных нейронов, и если эти сигналы активируют их, то они, в свою очередь, инициируют то или иное моторное действие. Эти нейроны также называют «нейронами принятия решений», поскольку предполагается, что их истинная функция – выбор нужного действия из нескольких возможных (например, плыть или ползти).

Первые эксперименты с клетками типа 204 были проведены почти 40 лет назад, и поэтому разумно задать вопрос: мы по-прежнему верим в первоначальные выводы из цепочки «предположение – проверка – интерпретация»?[5] И да, и нет. Основные данные выдержали проверку временем (и много раз воспроизводились), но дальнейшие эксперименты выявили и другие нейроны, по своим функциям похожие на клетки 204, и поэтому первоначальный вывод о том, что за плавание пиявки отвечают только клетки 204, оказался упрощением. Эксперименты с использованием красящих веществ, которые светятся, сообщая об электрической активности нейрона (это позволяет одновременно наблюдать за работой множества нейронов), показали: решение о том, что должна делать пиявка – плыть или ползти, – принимается на основе трудноуловимых взаимодействий между многими нейронами. Клетки 204 вместе с другими командными нейронами подают сигнал к моторному действию после завершения этих тонких взаимодействий. Таким образом, клетка 204 не «главнокомандующий», а скорее «лейтенант», выполняющий приказы «коллективного руководства», которое и принимает решения[6].

Помня об экспериментах с клетками типа 204, вернемся к значению слова «вера» в науке. Этот вопрос нужно рассматривать как минимум на трех уровнях.

1. Есть ли возможность опровергнуть гипотезу? Если не существует способа опровергнуть гипотезу с помощью объективных, осуществимых экспериментов, эта гипотеза может быть интересной, но не может относиться к научной сфере.

2. Считаем ли мы данные достоверными? Для ответа на этот вопрос мы должны оценить применимость методик, тщательность экспериментов, убедительность результатов. Например, в типовом эксперименте с целью выяснить функцию той или иной зоны мозга исследователи будут вмешиваться в работу этой зоны и регистрировать изменения в поведении или активности мозга. Для выявления изменений экспериментатор использует стимулы и фиксирует реакцию на них. Зачастую данные неоднозначны: один и тот же стимул может вызывать разную реакцию, а два разных стимула – одинаковую. Причин тому может быть много, и существуют проверенные методы обнаружения и разрешения такого рода проблем. Например, можно не посвящать человека, оценивающего результаты, в подробности исследования (это называется «слепым» методом). Или можно повторить эксперимент в другой лаборатории, с другими сотрудниками, оборудованием и сложившимися практиками проведения опытов.

3. Доверяем ли мы интерпретации? В целом интерпретация – самая интересная часть любого научного исследования (и именно она, как правило, попадает в СМИ), но вместе с тем эта часть наиболее часто подвергается пересмотру. Как показала история с клетками 204 в нервной системе пиявки, новые данные могут существенно изменить интерпретацию, и этот процесс бесконечен. Карл Поппер, влиятельный ученый в области философии науки ХХ века, утверждал, что наука не должна даже надеяться, что когда-либо выяснит абсолютную истину[7]. Хорошо обоснованное современное суждение, приближающее нас к истине, может объяснить все (или, по крайней мере, многие) текущие наблюдения, но дополнительные данные в конце концов заставят ученых усомниться в любой интерпретации и заменить ее более полной. Поппер утверждает, что старая интерпретация не отвергается полностью; просто новые данные позволяют еще ближе подойти к истине. По сути, интерпретация полученных данных порождает предположения для новой серии экспериментов – точно так же, как при попытке починить неисправный торшер.

Чем же «научная вера» отличается от других разновидностей веры? Одно из главных отличий состоит в том, что наука – по крайней мере, экспериментальная – ограничивается идеями, которые можно проверить с помощью объективных, воспроизводимых и однозначных экспериментов. Если другие исследователи проведут такие же эксперименты, они получат те же результаты. Это ограничение исключает из поля зрения науки множество чрезвычайно интересных вопросов, таких как «Зачем мы живем?» и «Существует ли Бог?». За пределами науки оказываются даже целые дисциплины вроде астрологии: они похожи на науку в том смысле, что оперируют огромным количеством данных, однако их выводы невозможно проверить объективными методами[8]. В научных статьях обычно есть разделы «Результаты» и «Обсуждение результатов». Для того чтобы поверить в результаты, нужно оценить, правильно ли поставлен эксперимент и могут ли другие исследователи его воспроизвести; такая оценка будет относительно объективной. Верить ли утверждениям из раздела «Обсуждение результатов» – вопрос более сложный. Подтверждают ли данные интерпретацию? Логичны ли выводы и основаны ли они на результатах этой и предыдущих работ? Является ли интерпретация отправной точкой для дальнейших проверяемых гипотез? Хотя обсуждение результатов зачастую представляет собой самую интересную часть научной статьи, эта часть с наименьшей вероятностью выдерживает проверку временем. Тех, кто не знаком с той или иной областью исследований, изменения интерпретаций могут сбивать с толку и раздражать (например, полезны или вредны жиры?), но такие последовательные приближения – неотъемлемая часть научного процесса. Если интерпретация поэзии искажает ее суть, то в научной интерпретации наиболее ярко раскрывается творческий потенциал исследователя. Изменчивость интерпретаций означает, что все заявления о вере подразумевают оговорку: то, во что ученый верит сегодня, может существенно измениться после следующей серии экспериментов, которые проведет он сам или – если не повезет – кто-то другой. Ученый должен быть готов отказываться от любимых убеждений и принимать другую точку зрения, когда этого требуют полученные данные, а прочим людям следует помнить о преходящем характере этих убеждений.

Развитие и изменение

Генетика проливает свет на природу индивидуальности

Джереми Натанс

В ЭТОМ МОГ УБЕДИТЬСЯ ВСЯКИЙ, кто проводил время в обществе четырехлетних детей. Даже в таком юном возрасте люди очень сильно отличаются друг от друга. Одни дети коммуникабельные, другие робкие. Кто-то усидчив, а кто-то все время переключается с одного занятия на другое. Кто-то упрям, а кто-то покладист. И в зрелом возрасте индивидуальные черты в значительной степени определяют, кто мы такие: пессимисты или оптимисты, общительные или замкнутые, властолюбивые или беззаботные, отзывчивые или недоверчивые. Личные особенности тысяч и миллионов людей в совокупности определяют черты общества.

Чем же определяется индивидуальность? Насколько она заложена в человеке от рождения? И в какой мере ее формирует опыт? По сути, это вопросы о развитии, функционировании и пластичности мозга – одни из самых серьезных, которые мы можем задать науке о мозге.

Больше ста лет назад британский ученый-энциклопедист Фрэнсис Гальтон сформулировал эти вопросы в их нынешнем виде[9]. Гальтон считал, что личность, интеллект и другие психологические характеристики формируются под общим влиянием «природы и воспитания». За прошедшее столетие исследования в области поведения животных, психологии и генетики позволили добиться некоторого прогресса в изучении этой темы.

Если говорить о выводах, полученных из наблюдений за нашими собратьями из животного мира, стоит начать с работы двоюродного брата Гальтона – Чарльза Дарвина, заинтересовавшегося теми изменениями во внешности и поведении, которых можно добиться путем селекции домашних животных. Рассмотрим, например, характеры собак. Любой владелец собаки знает, что у каждого животного свой темперамент, способности (или отсутствие таковых) и привычки – иными словами, набор черт, из которых складывается индивидуальность животного. Удивительно, но все эти черты во многом определяет генетика. Дружелюбие золотистого ретривера, пастуший инстинкт австралийской овчарки и самодисциплина немецкой овчарки – все это в значительной степени результат селекции. Владельцы и заводчики собак ценят эти черты не меньше, чем экстерьер.

Если мы обратимся к более распространенным поведенческим особенностям собак (тем, что отличают домашних собак от диких), то обнаружим, что самая важная характеристика, общая для одомашненных пород, – это покорность, развившаяся в результате фундаментального изменения в условиях взаимодействия с людьми. Эта черта, в частности, проявилась в переосмыслении зрительного контакта: прямой взгляд в глаза из угрозы превратился в знак привязанности. В знаменитом исследовании чернобурых лисиц, проведенном Дмитрием Беляевым, Людмилой Трут и их коллегами, поведенческий переход из дикого состояния в одомашненное произошел всего за 30–40 поколений в процессе селекции диких лисиц[10]. В результате этого эксперимента, начатого в Новосибирске еще в конце 1950-х годов, были выведены лисицы, обладающие многими из тех симпатичных черт, которые мы ассоциируем с домашними собаками: одомашненные лисы виляют хвостом, лижут руки, реагируют на зов и стремятся к физическому и зрительному контакту с людьми.

Один из выводов, сделанных по итогам новосибирского эксперимента, состоит в том, что у популяции диких лисиц уже имелись генетические особенности, необходимые для преобразования характера из дикого в домашний. И действительно, исследователи отмечали, что «дружелюбное» поведение начало проявляться уже через четыре поколения селекции («дружелюбие» определялось по взаимоотношениям между лисами и людьми). В настоящее время точно неизвестно, какие именно генетические изменения ответственны за покорность чернобурых лисиц, но Беляев, Трут и их коллеги доказали, что эти изменения – какими бы они ни были – привели к гормональным изменениям, в том числе к снижению уровня гормонов стресса, таких как глюкокортикоиды. Возможно, особи с поведением типа А (по Фридману) оптимально приспособлены к миру, в котором следующий прием пищи не гарантирован, а любое крупное животное с высокой вероятностью может оказаться врагом.

Насколько выводы о влиянии генетики на поведенческие черты животных применимы к людям? В 1979 году ученый-психолог Томас Бушар из Университета Миннесоты предпринял одну из самых амбициозных попыток ответить на этот вопрос. На протяжении следующих 20 лет Бушар и его коллеги изучали те редкие случаи, когда близнецы усыновлялись разными семьями и росли в разной обстановке; исследователи хотели понять, как одинаковые гены и разная среда влияют на сходство и различия психики[11]. В Миннесотском исследовании близнецов, выросших порознь (MISTRA), сравнивались однояйцевые и разнояйцевые близнецы, а также, в сотрудничестве с Дэвидом Ликкеном (коллегой Бушара по Университету Миннесоты), близнецы, воспитывавшиеся раздельно, сравнивались с близнецами, выросшими вместе[12].

Однояйцевые близнецы (их еще называют монозиготными) развиваются из одной оплодотворенной яйцеклетки, которая на ранней стадии развития делится на два эмбриона. Эти близнецы наследуют от родителей один и тот же вариант каждого гена и поэтому генетически идентичны. А поскольку однояйцевые близнецы наследуют один и тот же набор Х- и Y-хромосом, они бывают только однополыми. То есть пара однояйцевых близнецов может состоять из двух мальчиков или двух девочек, но не из мальчика и девочки. В среднем примерно у одного из 270 человек есть однояйцевый близнец.

В отличие от однояйцевых разнояйцевые (или дизиготные) близнецы появляются тогда, когда во время овуляции из яичника выходят две яйцеклетки, которые оплодотворяются двумя сперматозоидами, а затем развиваются в два эмбриона. Такие близнецы похожи друг на друга не больше, чем обычные братья и сестры. От других братьев и сестер разнояйцевых близнецов отличает только то, что они одновременно развиваются в матке и рождаются в один день. Генетики исходят из того, что «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов»[13]. Таким образом, поскольку разнояйцевые близнецы наследуют Х- и Y-хромосомы независимо друг от друга, они могут быть как одного пола (мальчик + мальчик или девочка + девочка), так и разного (мальчик + девочка или девочка + мальчик). В среднем примерно у одного из 115 человек есть разнояйцевый близнец.

В самом простом исследовании близнецов некий измеримый параметр (например, рост, вес или кровяное давление) сравнивается у большого количества пар однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Различия по этому параметру вычисляются для каждой пары, а затем ученые сравнивают полученные результаты в группах однояйцевых и разнояйцевых близнецов. Поскольку однояйцевые близнецы всегда одного пола, в исследовании участвуют только однополые разнояйцевые близнецы. Одно из подобных исследований, например, показало, что средняя разница в росте между разнояйцевыми близнецами составляет 4,5 сантиметра, а между однояйцевыми близнецами – 1,7 сантиметра. Меньшая разница в росте у однояйцевых близнецов обусловлена бо́льшим генетическим сходством.

Внимательный читатель, возможно, заметил в этом типе исследований слабое место – особенно применительно к психологическим вопросам. Однояйцевые близнецы так похожи, что их часто путают, и это может вызвать недоразумения. В результате учителя, друзья или даже родственники нередко относятся к ним одинаково – или потому, что не в состоянии их различить, или из предположения, что два человека с одинаковой внешностью не должны различаться и в других аспектах. Сходство в межличностных отношениях такого типа создает то, что в поведенческой генетике называется «общей средой», и это затрудняет анализ соотношения влияния природы и воспитания. Кроме того, как будет показано далее, у однояйцевых близнецов наблюдается сходство в широком диапазоне личностных характеристик и, скорее всего, вследствие этого формируется невероятно тесная связь друг с другом. Возникает вторая проблема: что, если тесные межличностные отношения между однояйцевыми близнецами усиливают их психологическое сходство и сглаживают различия?

Изучение близнецов, разлученных при рождении или в раннем детстве, позволяет ответить на эти вопросы. Как показало исследование MISTRA, особенно информативно здесь сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся порознь, с разнояйцевыми, также воспитывавшимися порознь. В этом случае близнецы в парах генетически идентичны соответственно либо на 100 %, либо в среднем на 50 %, но условия, в которых они воспитывались, по большей части не совпадают. Два других информативных подхода – это сравнение однояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь, и сравнение разнояйцевых близнецов, воспитывавшихся вместе и порознь. В последнем случае используется другой способ оценки влияния одинаковой и разной среды в детские годы, когда происходит формирование личности.

За 20 лет работы по проекту MISTRA ученые изучили 81 пару однояйцевых близнецов, выросших порознь, и 56 пар разнояйцевых близнецов, выросших порознь. Средний возраст близнецов на момент исследования составлял 41 год. В среднем они провели вместе всего пять месяцев, прежде чем их разлучили, и не поддерживали контакт друг с другом в среднем на протяжении 30 лет. В процессе исследования каждый участник провел около недели в Университете Миннесоты, где проходил психологическое тестирование, а также физическое и медицинское обследование.

Результаты психологических тестов удивили ученых. В случае со многими чертами личности, такими как экстраверсия/интроверсия и эмоциональная устойчивость/неустойчивость, влияние генетики оказалось существенным – в среднем порядка 40 %. Более того, столь же сильное влияние генетики обнаружилось в выборе профессии и в некоторых социальных аспектах, таких как религиозность или приверженность традициям.

Из всех психологических характеристик человека наиболее активно исследовался коэффициент интеллекта (IQ), который оценивался по результатам письменного теста на знания и интеллектуальные навыки. Термин «коэффициент интеллекта» звучит слишком претенциозно, но сам тест представляет и теоретический, и практический интерес, поскольку его результаты хорошо предсказывают будущие образовательные и профессиональные успехи[14]. Данные MISTRA показали, что у исследуемой группы населения 70 % расхождений в результатах теста на IQ можно объяснить генетикой. В частности, разница в IQ у однояйцевых близнецов, выросших порознь, была лишь немногим больше, чем средний разброс результатов теста на IQ у одного и того же человека, проходившего тест два раза. Систематический анализ разных приемных семей, в которых воспитывались разлученные однояйцевые близнецы, показал слабое влияние на результат теста на IQ таких факторов, как уровень образования приемных родителей, а также богатая культурная или научная среда. Это важные выводы, однако они нуждаются в некоторых уточнениях, поскольку не учитывают влияние исключительных обстоятельств, таких как особенно богатая культурная среда или, напротив, ее недоступность. Почти все участники MISTRA воспитывались в семьях и социуме, где имелась возможность получить хорошее образование, поэтому выявленный уровень генетического влияния применим к условиям этой благоприятной среды.

Я упомянул здесь исследование MISTRA из-за его масштаба и образцового дизайна, но аналогичные результаты, касающиеся личности и IQ, были получены в десятках других работ, посвященных изучению близнецов и семей[15]. Особый интерес представляет сравнение 110 пар однояйцевых близнецов и 130 пар разнояйцевых близнецов в возрасте более 80 лет: у однояйцевых близнецов обнаружилась бо́льшая степень сходства по каждому из тестируемых параметров, в том числе по общим когнитивным способностям (IQ), памяти, вербальным навыкам, пространственной ориентации и скорости обработки информации[16]. Это исследование также показало, что влияние генетики на IQ почти не снижается с возрастом, хотя ни в этой, ни в других работах не проверялось, насколько результаты теста на IQ отражают мотивацию, любознательность и самодисциплину, а не только «интеллект» в чистом виде.

Исследования близнецов позволяют оценить средний вклад генетики в индивидуальные различия личностных черт и когнитивных способностей, но не выявляют биологические механизмы, лежащие в основе этих различий. Можно сказать, что такие исследования дают нам данные, аналогичные техническим характеристикам разных марок автомобилей. Мы можем узнать, что «порше» разгоняется быстрее «тойоты», но чтобы понять причину этой разницы, необходимо во всех подробностях знать, чем различаются эти машины. Кроме того, нам понадобятся общие знания об устройстве автомобиля.

В биологии «заглянуть под капот» – значит понять, как растут клетки, как происходит их специализация, как они взаимодействуют и выполняют те или иные функции. Необходимо также выяснить, как именно генетическая последовательность, которую наследует каждый из нас, передает информацию о белках, заключающих в себе молекулярные механизмы, от которых зависит строение и функционирование клетки. Это очень сложная задача, и до полного понимания этих процессов нам еще далеко. Тем не менее за последние 50 лет нейробиология добилась значительных успехов. Теперь мы знаем основные механизмы коммуникации нервных клеток, а также многие механизмы, отвечающие за формирование связей между нервными клетками в процессе развития.

Особенно быстро развивается генетика. Сегодня нам известны полные последовательности ДНК человека и десятков других видов животных, а также частичные последовательности ДНК сотен тысяч отдельных людей. Эти последовательности показывают, что наш генетический код очень похож на генетические коды других млекопитающих. Таким образом, огромное разнообразие внешних признаков и интеллектуальных способностей млекопитающих, скорее всего, обусловлено совокупностью относительно небольших различий в структуре и функционировании генома. Кроме того, сравнение генетического кода разных людей показывает, что генетически мы отличаемся друг от друга лишь на одну тысячную часть[17]. Выяснить, каким образом эти генетические различия влияют на формирование нашей личности, – одна из величайших научных задач, стоящих перед человечеством.

Мозг состоит из миллиардов нейронов, но связи между ними могут формироваться по очень простым правилам

Алекс Колодкин

НЕОБЫЧАЙНАЯ СЛОЖНОСТЬ НЕЙРОННЫХ СВЯЗЕЙ вызывает закономерный вопрос: какие метки, или маркеры, помогают упорядочить организацию этих связей? Попробуйте представить, что вам необходимо подключить тысячи телефонов в новом здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке к центральным коммутаторам. Разноцветные провода, пронумерованные телефонные гнезда и множество уникальных меток – вот то, что поможет вам ничего не перепутать. Но чтобы использовать прием с «уникальными метками» при построении человеческого мозга, вам понадобились бы миллиарды особых молекулярных маркеров. Возможно ли вообще подобное шифрование связей? За сто лет исследований нейробиологи обнаружили лишь несколько сотен молекул, которые избирательно управляют формированием связей между нейронами. Но даже если бы все гены человеческого генома производили только маркеры связей, получилось бы всего 20 тысяч уникальных маркеров – гораздо меньше, чем нужно для кодирования всех связей в мозге человека[18]. Недавнее исследование зрительной системы насекомых показало, что чрезвычайно сложные связи огромного количества нейронов могут диктоваться очень простыми правилами; каждый отдельный нейрон способен следовать этим правилам самостоятельно и в отсутствие несметного числа уникальных меток выстраивать сложные специфические связи со множеством других нейронов. В какой же степени нервная система – это результат самосборки? Как ни странно, в значительной.

Огромный вклад в наше понимание сложности и логики нейронных связей внес в начале ХХ века испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль[19]. Вооружившись примитивным по нынешним меркам микроскопом и применив метод окрашивания, который позволял маркировать лишь очень малую долю из огромного числа нейронов, Рамон-и-Кахаль совершил экспедицию к неизведанным берегам анатомии и описал классы нейронов на основе их морфологии и структуры связей с другими нейронами. Он по достоинству оценил сложные и красивые формы нейронов и создал превосходные иллюстрации[20]. Рамон-и-Кахаль предположил, что аксоны, тянущиеся из тела нейрона и зачастую очень длинные, вероятно, передают информацию следующему нейрону, контактируя с его дендритами (древовидными структурами, отходящими от тела клетки), которые, в свою очередь, принимают информацию, передают ее своему аксону, а затем дендритам следующего нейрона и так далее. Эта догадка позволила Рамону-и-Кахалю выдвинуть гипотезу об организации цепей нейронов в нервной системе позвоночных и даже беспозвоночных животных.

Рамон-и-Кахаль изучал не только мозг взрослых особей разных видов, но и нервную систему эмбрионов, и показал в своих работах, насколько сложна зрелая нервная система. Он увидел, что на концах аксонов имеются похожие на ладони утолщения, которые мы теперь называем конусами роста, и «пальцы» на них (филоподии) словно исследуют окружающее пространство. Когда конус роста сталкивается с каким-либо маркером (на расстоянии или вплотную), он направляет аксон в сторону привлекательного маркера или подальше от отталкивающего маркера. Данные, накопленные за последнее столетие, подтвердили догадки Рамона-и-Кахаля[21]. Теперь мы знаем, какие белки, выделяемые клетками, могут издалека привлекать или отталкивать конусы роста и какие белки локального действия, связанные с клеточной мембраной, управляют движением конусов роста. Мы знаем, что аксоны, появившиеся на ранней стадии развития, могут служить направляющими, вдоль которых растут новые аксоны. Постепенно мы приблизились к пониманию того, как совершенствовалась разветвленная схема сложных нейронных связей от червей к насекомым и от насекомых к человеку. Но как карта Нью-Йорка не дает по достоинству оценить архитектурное и культурное наследие города, так и наши скудные знания о строении нервной системы пока не позволяют составить представление о том, каким образом формируются триллионы нейронных связей в человеческом мозге. Обратимся к удобной модели: плодовой мушке Drosophila melanogaster.