«Способность взаимодействовать с мозгом напрямую выглядит заманчиво»

До середины XX века о работе мозга не было известно практически ничего. В 1950-е годы англичане Ходжкин и Хаксли открыли потенциал действия и разработали математическую модель, которая описывает электрические явления в аксоне нервных клеток кальмара. За последующие несколько десятков лет в биологии были совершены фундаментальные открытия, которые в корне изменили наше понимание собственной природы. Сегодня учёные технически могут заменить один ген человека другим. Об эволюции научных представлений о мозге, ключевых положениях, которые необходимо знать каждому, способах сохранения нейронов и возможностях взаимодействия с искусственным интеллектом мы поговорили с Эдуардом Коркотяном, профессором Института имени Вейцмана и ПГНИУ.

— Эдуард Арменакович, как далеко продвинулась нейробиология в изучении мозга за те 30 лет, что вы занимаетесь наукой?

— Очень далеко продвинулась! Когда-то всё начиналось с простой электрофизиологии. Если говорить коротко, в мозг вводили электроды и фотографировали потенциалы прямо с экрана осциллоскопа. Но за последние 30—35 лет выяснилось, что мозг — орган не столько физический, сколько химический. Конечно, электричество играет большую роль, но при этом белковые и другие молекулы управляют почти всем, включая сознание, настроение, мотивацию, поведение. На наших глазах были разработаны методы химических исследований, в том числе генетического воздействия на мозг. Так что сегодняшняя нейробиология — это в основном наука о биохимии мозга.

— Назовите, пожалуйста, ключевые вещи, которые нам необходимо знать о собственном мозге.

— Хороший и одновременно очень сложный вопрос. Мозг состоит из нервных клеток, которых невообразимо много — десятки миллиардов. Каждая нервная клетка по существу — автономный и самодостаточный организм. Он может сам дышать, питаться и так далее. Но в информационном отношении такая клетка является крохотным винтиком огромной аналитической машины. Отдельный нейрон кажется микроскопически малым, но его отростки могут простираться на расстояние до метра и более. Представьте себе, что вы управляете мышцами конечностей, лица или других частей тела. Сигналы к вашим мышцам поступают от моторных нейронов, и внутри каждой нервной клетки они передаются электрическим путём, примерно как ток по проводам. Тельца большинства этих нейронов спрятаны в спинном мозге, а электрические сигналы к мышцам бегут по длинным отросткам — аксонам. В достаточно крупных нервах импульсы могут лететь со скоростью до сотни метров в секунду. А вот от клетки к клетке сигналы движутся медленнее, и не электрическим путём, а посредством химических медиаторов — веществ, которые выделяются из нервных окончаний. Они преодолевают короткое пространство между двумя мембранами и возбуждают либо тормозят следующие клетки.

Как выяснилось, медиаторов и модуляторов в мозге довольно много. Главное, что нужно понимать, — эти информационные системы условны. В каком-то смысле они похожи на нашу речь. Например, мы называем стол столом, хотя в этом созвучии нет ничего, что имело бы отношение к его форме. Просто мы договорились подразумевать под этим сочетанием звуков определённый предмет. Примерно то же происходит в нервной системе: сигнальные молекулы носят условный характер и должны быть узнаны рецепторами на клеточных мембранах. А уж как именно они повлияют на ту или иную клетку, зависит от самой её природы, от того, какими рецепторами данная клетка обладает. При этом один и тот же нейрон может испытывать воздействие масштабных информационных потоков, иногда от сотен и даже тысяч других клеток, многие из которых используют разные химические медиаторы. На поверхности каждого нейрона расположено бессчётное число рецепторов, и таких клеток у нас — многие миллиарды… Исходя из этого становится понятнее, насколько сложно изучать мозг.

— И как же вы это делаете?

— Мозг — сложнейшая трёхмерная структура, расположенная компактно внутри черепной коробки. При малейшей попытке проникнуть туда мы наносим мозгу серьёзный вред. В течение нескольких последних десятилетий исследователи научились выращивать так называемую культуру нейронов. Система такова: вы берёте молодые клетки из определённой области мозга эмбрионов мыши или крысы, которыми, к сожалению, приходится пожертвовать. Далее высеваете их на очень тонкое стерильное стёклышко, помещённое в питательную среду. И через несколько дней они удивительным образом создают новую нейронную сеть, напоминающую ту, которая появилась бы в мозге. Достоинство этого метода в том, что вы получаете плоскую, двумерную модель крохотного участка мозга и контролируете каждый элемент этой искусственной нейронной сети. А при помощи флуоресцентных сенсоров можете визуализировать их совместную работу.

Второе значительное научное достижение — разработка методов изменения генетического кода клетки. Поясню это в самом простом виде. Представьте себе вирус. Он весьма эгоистичен по природе, так как впрыскивает в клетку свой геном и заставляет её, во вред самой себе, воспроизводить множество новых вирусов. Это будет происходить до тех пор, пока клетка не погибнет. Но теперь мы научились как бы приручать вирусы. Мы сами создаём вирусоподобные конструкты, и они вводят в клетку нужные нам гены, которые требуется изучить. Клетка начинает синтезировать белки в соответствии с новым кодом и меняться. Таким образом, мы можем усиливать или ослаб­лять те или иные свойства нейронов, модифицировать их, «чинить» повреждённые, мутантные. Таков один из возможных путей коррекции врождённых наследственных заболеваний мозга.

— Пока эти методы применяются только в лабораторных условиях на двумерной модели?

— Первые робкие шаги уже сделаны на практике. Появились исследования, в которых предпринимаются попытки изменить природу не клеток, выращенных на стекле, а нейронов мозга. Однако возникает количественная проблема. Очень трудно добраться до каждой из миллиардов клеток. Поэтому основное направление терапии, которое в каком-то смысле уже работает, — коррекция на уровне единичных клеток зародыша. Если известно, что родители страдают каким-либо наследственным генетическим заболеванием и с большой вероятностью передадут свои мутировавшие гены оплодотворённой яйцеклетке, можно попытаться исправить мутацию в пробирке и пересадить зародыш обратно в тело матери. В результате у родителей, которые не могли иметь здоровых детей, родится нормальный ребёнок.

— Правильно ли я понимаю, что ожидаемым результатом научных исследований является создание определённого набора генов, присущего идеальному человеку?

— Вы были бы абсолютно правы, если бы у нас имелся эталон идеального человека. Естественно, такого понятия в принципе не существует. Но технически в генетическом подходе нет ничего фантастического. Геном человека полностью декодирован. Если угодно, взломан. Мы, конечно, ещё не знаем предназначения многих генов. Имеются белки, функция которых пока не вполне понятна. Чаще всего белок — просто сигнальная молекула. В печени или почках он выполняет одну работу, в мозге — совершенно другую. Природе невыгодно создавать новые белки, она просто использует уже существующие — в других сигнальных путях. В этом контексте ещё не всегда понятны тонкости работы очень многих генов.

В каком-то смысле эволюция человека остановилась после того, как мы научились спасать детей, которые в былые времена были обречены. Ещё 100—150 лет назад детская смертность была очень велика. В наши дни выживают практически все, и это прекрасно. Но в нашем геноме постепенно накап­ливаются мутации, ослабевает природа человека. Когда от нас не требуется ничего чрезвычайного, чтобы выжить, просто вписаться в социум, в этом есть опасный компонент для будущего человечества. С ним нужно как-то бороться. Один из путей борьбы — взять свой геном в свои руки, научиться управлять процессами, которым много миллиардов лет, не отдавать их на волю случая. Однако совершенно ясно, что пока человечество этически не готово к тому, чтобы вмешаться в собственную природу и изменить себя. Но возможно, когда-нибудь такое время наступит.

— Опишите, пожалуйста, возможности науки 2040—2050-х годов.

— Чисто технически уже сегодня не представляет большого труда заменить один ген другим. Однако почти во всех странах мира существуют законы, запрещающие подобные манипуляции. И я отнюдь не призываю к тому, чтобы отменить этот запрет. Наука довольно часто предлагает человечеству технологии, к которым оно ещё не готово. Лучший пример такого рода — ядерное оружие, которое сеет страх и ужас, хотя в самих ядерных технологиях нет, разумеется, ничего плохого. В этом смысле очень опасно манипулировать геномом человека. Как известно, сон разума порождает чудовищ.

— Правомерно ли говорить о том, что мысли, эмоции, поведение, поступки человека запрограммированы, или это заблуждение?

— Я бы не стал ничего категорически утверждать или отрицать. Вопрос детерминизма скорее философский. Законы квантовой механики свидетельствуют о том, что детерминизма не существует. Что касается мозга человека, то наследственность не является чем-то совершенно определяющим. Кое-что действительно связано с наследственными факторами, но в основном будущее человека зависит от того, как он работает над собой, сколько в него вкладывают родители, как заботятся о его воспитании и образовании. Исследования, проводившиеся на близнецах, которые волею случая были разлучены в детстве, показывают, что мы вовсе не обречены жить той жизнью, которая якобы предначертана нашей ДНК. Генетически идентичные дети, рано разлучённые и жившие в разных условиях, вырастали довольно разными людьми. Очень многое в жизни человека зависит от впечатлений и опыта раннего детства. В сущности, мы — это то, во что верим и что думаем о себе.

— Есть другой расхожий тезис: «Человек есть то, что он ест». Действительно ли питание играет важную роль в работе нашего мозга?

— В очень ограниченном смысле. Главный конструктивный элемент нашего тела — белки. Они состоят из 21 аминокислоты, примерно половина которых — заменимые, а вторая половина — незаменимые. Заменимые наше тело умеет синтезировать само из любой пищи. Незаменимые мы синтезировать не умеем. Соответственно, их нужно съесть. Многие химические молекулы мозга зависят от незаменимых аминокислот. Очень важная молекула — серотонин — производится на основе аминокислоты — триптофана. Если не получать в достаточном количестве триптофан, то и производство серотонина окажется пониженным. В каком-то чрезвычайном случае, когда питание очень плохо сбалансировано, можно столкнуться с дефицитом аминокислот, но такое случается довольно редко. Поэтому роль питания, на мой взгляд, сильно преувеличена. Человек — не то, что он ест, а то, что он синтезирует внутри себя.

— Есть факторы, роль которых мы недооцениваем?

— Безусловно. Мало кто знает, что мы рождаемся с сильным избытком нервных клеток. К пятому-шестому году жизни ребёнка довольно большой процент клеток гибнет, в дальнейшем их число стабилизируется, а к 20 годам начинается планомерное количественное снижение. Конечно, первые признаки угасания умственной деятельности появляются намного позже. Но пик гибкости и обу­чаемости мозга приходится отнюдь не на школьный возраст, как принято считать, а на младенчество и раннее детство. В этом возрасте у родителей и воспитателей есть возможность сохранить как можно больше нервных клеток ребёнка. Они потом пригодятся.

— Каким образом их можно сохранять? Помню, бабушка мне говорила: «Не нервничай, нервные клетки не восстанавливаются».

— В том, что нервные клетки не восстанавливаются, ваша бабушка была совершенно права. Однако небольшие переживания, особенно в детстве, не наносят мозгу никакого вреда. Главное — это развитие. Например, известен феномен, согласно которому каждый ребёнок до года обладает абсолютным слухом. Потом слух ухудшается. Это естественный процесс, поэтому взрослому человеку очень трудно избавиться от акцента, даже если он в совершенстве изучил новый язык. Младенец способен овладеть звуковыми сочетаниями высокой сложности, относящимися не только к речи, но и к музыке. К сожалению, как правило, к обучению детей (не в смысле математики и родного языка, а в смысле контактов, зрительных образов, новых впечатлений) приступают поздновато. Большинство взрослых способны увидеть в ребёнке индивидуальность, лишь когда он начинает худо-бедно разговаривать, адекватно реагировать на речь. Но именно первые годы жизни являются определяющими, и не нужно жалеть усилий, вкладывая в ребёнка как можно больше, поощряя его и насыщая впечатлениями.

— Не требуя от него отдачи в плане за­учи­вания чего-либо, а разнообразя среду, в которой он находится.

— Именно! Чем больше звуков, картинок и впечатлений в целом, тем более развитым вырастет ребёнок. Это и есть путь сохранения нервных клеток. Они отмирают за ненадобностью. Клеточный резерв, который был накоп­лен в раннем возрасте, поможет человеку как можно на более длительный срок отложить проявление симптомов деменции, болезни Альцгеймера, которая, как ни печально это говорить, вполне вероятна на определённой стадии старения. После 20—25 лет человек продолжает получать знания, но уже не совершенствует свой мозг. Тренировка мозга в зрелом возрасте, конечно, полезна для обучения, но развитию нервной системы она никак не способствует.

— Одна из самых обсуждаемых тем последнего времени — изменение модели восприятия человеком информации, объём которой лавинообразно растёт. В связи с этим говорится о ненадобности запоминать что-то, тренировать память. Что вы думаете по этому поводу?

— С тем, что касается объёма информации, я вряд ли соглашусь. Играя во дворе, мы получали не меньше информации, чем современные дети, просто она была другой. Не нужно сводить информацию только к общению в социальных сетях. Когда ты сидишь в комнате, ты видишь только комнату. Когда ты ходишь по улице, ты видишь много чего вокруг. Да, к радости или к сожалению, мы из аналогового мира перемещаемся в цифровой. Раздавать оценки не берусь. Да и обсуждать это бессмысленно. Будущее всё равно наступит, хотим мы этого или нет. Надо только понимать, что ждёт человека в цифровом веке. Надобность в памяти, в механическом запоминании действительно снижается. Главное — отчётливо понимать, где найти интересующую информацию и как её оттуда извлечь. Но это отнюдь не отменяет креативности, новых идей и юмора.

— Часто приходится слышать от совершенно разных людей, что у них периодически болит голова, причём вроде бы без явных на то причин. Можете объяснить это как специалист по изучению мозга?

— Вы, скорее всего, имеете в виду мигренеподобные боли. Это довольно распространённое явление, на которое до сих пор смотрели как на исключительное зло. По самочувствию оно, конечно, ужасно. Однако недавно были опубликованы новые результаты исследования мигрени. Оказалось, что эмоциональная уязвимость психики типичного современного человека вызывает окислительные стрессы мозга, наносящие ему колоссальный вред. При этом агрессивные кислородные радикалы вступают в патологические, вредоносные реакции и повреждают биоактивные молекулы мозга. Оказалось, что мигрень, как ни парадоксально это звучит, является своеобразным средством защиты от окислительного стресса. Во время приступа мигрени активность мозга резко снижается, он как бы затормаживается. Человек перестаёт быть активным, старается уйти в тёмное место, поменьше видеть и слышать, отключиться от всего на свете, чем и защищает свой мозг. По­этому не стоит смотреть на мигрень как на чистое зло.

— Как вы видите взаимодействие человеческого мозга и искусственных систем?

— Эта тема меня очень интересует. Мозг обладает весьма своеобразной особенностью: у него есть несколько великолепно устроенных сенсорных входов — зрительный, слуховой, тактильный анализаторы. Чуть хуже у человека с обонянием. Вкус худо-бедно есть. Но в том, что касается передачи информации вовне, мы очень ограниченны. Любые живые существа не расположены делиться информацией с внешним миром. Что хорошего, если травоядное будет сообщать потенциальному хищнику о своих намерениях?

Если посмотреть на речь отстранённо, мы поймём, что она является ущербным способом коммуникации. Речь не обладает пространственной составляющей, она линейна, как телеграфная лента. Речь довольно медленный способ передачи сведений. Она зависит от скорости работы речевого аппарата. Наша способность воспринимать выше, чем способность проговаривать. Речь очень бедна в том случае, когда мы пытаемся передать какой-то неабстрактный образ, например описать картину, даже статичную, не говоря уже о движущейся. Однако, кроме речи и жестикуляции, у нас нет других каналов связи с внешним миром. А теперь представьте себе небольшой экранчик на лбу, в котором отражаются визуальные образы вашего внутреннего мира: насколько бы он обогатил взаимное общение. В определённом смысле эмодзи и другие пиктограммы играют роль передатчика нашего настроения, чувств, которые трудно выразить словами. Однако их совершенно недостаточно.

Сам по себе компьютер не может облегчить задачу создания новых каналов связи между людьми. Человек взаимодействует с системой не напрямую, а с помощью клавиатуры. Но есть надежда, что когда-нибудь мы создадим функциональный интерфейс между мозгом и компьютером. Пока мы крайне далеки от этой цели, но уже имеются устройства в виде роботизированных рук, которые управляются, если можно так выразиться, силой мысли людей, которые лишены возможности двигаться. Чаще всего эффект достигается методом энцефалографии. Но это плохой способ, ненадёжный, который к тому же требует надевать специальную шапочку с электродами. Уже делаются первые попытки вживить в мозг электрод, который позволит подавать сигналы напрямую из моторной коры в механическую руку, заставляя её перемещаться. В какой степени мы сумеем продвинуться в этом направлении, пока неизвестно. К сожалению, у мозга нет USB-порта, который позволял бы взаимодействовать с ним напрямую, а не посредством речи. Недавно у нас прошло маленькое совещание с представителями кафедры физики Пермского университета на предмет того, сможем ли мы начать исследования по внедрению в мозг сенсоров. Мы бы хотели на­учиться не только сообщать, но и передавать в мозг элементы информации. Не только здесь, в Перми, но и вообще в мире делаются лишь первые шаги по созданию такого интерфейса.