Горизонты наук о мозге и интеллекте

Мы попросили лекторов всероссийской научной школы «В будущее наук о мозге и интеллекте», прошедшей в начале ноября под Москвой, поделиться с нашими читателями своим видением перспектив нейронаук, ответив на следующие вопросы:

Назовите, пожалуйста, наиболее перспективную и важную, на Ваш взгляд, проблему в области исследований мозга. Почему Вы так считаете?

Какие новые методы могут в ближайшее время перевернуть наши представления о работе мозга?

Какие исследования мозга могут в будущем изменить жизнь простого человека?

В чем, на Ваш взгляд, сильные стороны российских школ нейронаук и когнитивной науки?

Павел Милославович Балабан, докт.биол.наук, проф., зав. лабораторией клеточной нейробиологии обучения, директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва

Наиболее важная и перспективная проблема — формирование, хранение и извлечение памяти. Понимание на молекулярном уровне этих процессов даже в ограниченных жесткими рамками моделях может открыть пути к регуляции памяти, пониманию механизмов патологий. Если мы научимся легко метить интересующие нас индивидуальные молекулы и сможем в живой клетке проследить их «жизненный» путь, это позволит ответить на множество вопросов о механизмах пластичности мозга, по поводу которых мы сейчас только строим гипотезы и модели. Исследования репаративных возможностей нервных клеток на молекулярно-генетическом уровне и отработка технологии направленного избирательного изменения экспрессии генов в нейронах разных функциональных типов откроют новую область биомедицинских приложений.

Российскую школу нейронаук отличают аналитический комплексный подход к проблемам и традиция проводить совместные исследования, несмотря на различия в системах финансирования, и, вообще, работать невзирая на наличие или отсутствие денег.

Рита Ушеровна Островская, докт.биол.наук, проф., засл. деятель науки России, главный научный сотрудник лаборатории психофармакологии, НИИ фармакологии им. В.В. Закусова РАМН, Москва

Одной из важных, на мой взгляд, проблем в области исследований мозга является дальнейшая разработка средств коррекции его патологии. Во всем мире наблюдается значительный и быстрый рост числа людей пожилого и старческого возраста. К 2020 г. ожидается, что во многих странах лица старших возрастных групп составят 20–30% населения. Драматическим образом нарастает количество больных с острыми нарушениями мозгового кровообращения. Нарастает также число больных различными формами деменции, включая болезнь Альцгеймера. Эти обстоятельства диктуют необходимость поиска средств эффективной терапии указанных состояний.

Однако исследованиями, выполненными к настоящему времени, установлена малая эффективность терапии развитых форм подобных заболеваний. Становится очевидной также недостаточная эффективность тех видов лечения, которые направлены лишь на один из механизмов заболевания. Препараты, пригодные для терапии различных форм когнитивной недостаточности, должны отвечать, как минимум, двум требованиям: множественность мишеней воздействия и пригодность для длительной превентивной терапии. Этим требованиям в полной мере отвечают пептиды как многокомпонентные регуляторы медиаторных и сигнальных систем, характеризующиеся высокой эффективностью и низкой токсичностью. Полагаю, что не будет слишком нескромным, если я скажу, что пионерский характер исследований ноотропных и нейропротективных дипептидов, разработанных в Институте фармакологии РАМН, подтвержден не только наличием патента США, но также и статьей в журнале Fortune. Думаю, что этот факт может быть одной из иллюстраций к ответу о сильных сторонах российской нейронауки.

Другой подход в лечении нейро-дегенеративных заболеваний — это использование вирусных векторов, несущих ген пептида, способного скорректировать заболевание. Работы на животных показали, что такой метод позволяет получить хорошие результаты. Сегодня для борьбы с возрастными нарушениями памяти активно используется трансплантация нейронов и других клеток, например астроцитов, «нагруженных» генами ростового фактора. Говоря о будущих направлениях поиска средств когнитивной патологии, следует указать также на такое направление, как влияние на сигнальную систему нейрона, осуществляемое одним из следующих трех путей: усилением пресинаптического релиза глютамата, уcилением функции NMDA рецепторов и, наконец, активацией транскрипционного фактора, связывающегося с циклический АМФ (CREB).

Новый аспект воздействия на когнитивные функции состоит в учете того факта, что геном не является статическим депо генетической информации. Под влиянием внешних факторов он подвергается структурным и функциональным изменениям, которые имеют критическое значение как для нейрогенеза, так и для функционирования головного мозга во время развития и в течение всей жизни. В настоящеее время эпигенетическим механизмам, например модификации хроматина, придается все большее значение. Модификации хроматина изменяют доступность ДНК для транскрипционной машины. Воздействие на эти механизмы может восстановить нейро-нальную пластичность, нарушенную при когнитивной патологии.

Одной из важнейших проблем, стоящей перед исследователями мозга, является ранняя диагностика его патологии, которая составит основу единственно эффективного подхода к лечению — превентивного применения разработанных лекарственных препаратов. К числу наиболее перспективных способов ранней диагностики заболеваний мозга следует отнести современные методы нейроимиджинга. Они имеют определяющее значение для оценки соотношения функциональных и структурных изменений мозга при инсультах, травме мозга, интоксикациях.

Дмитрий Антонович Сахаров, докт.биол.наук, профессор, академик РАЕН, зав. лабораторией сравнительной физиологии, Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Москва

Уверен, что важнейшая сегодняшняя проблема — образование. Науковеды справедливо считают, что тектонические сдвиги становятся возможными тогда, когда новую парадигму воспримет научная молодёжь, которую не успели зомбировать старыми догмами. В нейробиологии из поколения в поколение воспроизводятся специалисты, которых учили и продолжают учить в рамках рефлекторной парадигмы и её дочернего предприятия — синаптической доктрины. Началось это давно. Результаты экспериментов Г. Гельмгольца и других ранних исследователей животного электричества были ошибочно интерпретированы, породив иллюзию, что нервная система построена из проводников электрического нервного импульса -носителя сенсорного послания эффектору. Заметим, что гораздо ближе к истине столетиями раньше был Р. Декарт, чисто умозрительно догадавшийся, что продукт, служащий посланием эффектору, не имеет сенсорного происхождения, он накапливается и хранится в самом мозге, а сенсорика адаптивно высвобождает этот продукт и придаёт ему нужное направление. Восторжествовали, однако, фантазии Гельмгольца, и дальнейшая история нейрофизиологии стала историей мучительных приспособлений рефлекторной парадигмы к клеточной теории и другим достижениям биологии. Потенциал приспособлений исчерпан, это стало ясно после открытия этологами центральных поведенческих программ и демонстрации нейроэтологами центральных генераторов упорядоченной активности (central pattern generator, CPG). Но агония продлится, пока не станем учить по-новому. Школьникам и студентам нужно объяснять, что живым структурам свойственно самопроизвольное функционирование и что нервные, в частности, клетки, а также их ансамбли активны не потому, что они чему-то на что-то отвечают, а просто потому, что они живые. Обучение мозгу удобно начинать с сердца: тут и спонтанный генератор, и способность к адаптациям. От сердца разумно перейти к локомоторному поведению медузы, столь похожему на сердцебиения. Далее есть смысл детально разобрать локомоторный или какой-то иной из хорошо изученных CPG беспозвоночных — от клеточных и химических механизмов паттернизации выходной активности до механизма перестройки паттерна. Теперь уже недалеко до нейронных ансамблей, входящих в состав сложного мозга. Заодно будет небесполезно разобрать коленный рефлекс, показав, что его простота — результат вторичной редукции. Такое обучение позволит исследователям нового поколения адекватно понимать мозг, изучать и описывать его в понятиях центральных генераторов, гетерохимизма и самоорганизации.

Сильные российские школы были сильны тем, что их создавали сильные личности. Мощным интеллектом обладали И.П. Павлов и А.Ф. Самойлов, их наследие пошло в рост и принесло обильный урожай. А от каких-то других отечественных школ практически ни следа не осталось: назову, к примеру, некогда знаменитую и многолюдную нейрофизиологическую школу Введенского — Ухтомского. Позже тот же личностный фактор стал основой замечательной плодотворности школ, которые, вопреки обстоятельствам, сумели создать П.К. Анохин, Н.А. Бернштейн и Х.С. Коштоянц. Характерно, что из них троих академиком АН СССР был только Анохин, и то почти незаконно: после событий 1950 г. академики едва не изгнали Анохина из своих рядов. Номенклатурный характер академической науки был и остаётся нашей национальной бедой. Некто хорошо вешает лапшу на уши начальству, пробивает звания, награды, финансирование, — и вот такой пробивала загоняет в угол профессионала и командует наукой. Если бы удалось избавиться от этой советской традиции, мы стали бы намного успешней. Но — как?

Владимир Георгиевич Редько, докт.физ. -мат.наук, проф., зам. директора. по науке Центра оптико-нейронных технологий НИИ системных исследований РАН, Москва

Мне кажется, что сегодня важно как следует разобраться, каковы механизмы памяти отдельного нейрона и нейронной сети. Обычно в компьютерном или математическом моделировании специалисты в области теории нейронных сетей используют гипотезу Хебба: вес синапса изменяется, если одновременно активны преси-наптический и постсинаптический нейроны. Это позволяет строить модели обучения нейронных сетей. Но у многих специалистов эта гипотеза вызывает сомнения. И целесообразно понять, каковы реальные механизмы памяти и как эти механизмы могут быть воплощены в компьютерные и математические модели.

На мой взгляд, для того, чтобы существенно продвинуть науки о мозге, нужны серьезные междисциплинарные исследования на стыке биологии, информатики и когнитивных наук. Очень интересно поставить и исследовать проблему эволюционного происхождения мышления и интеллекта. Целесообразно исследовать когнитивную эволюцию, эволюцию познавательных способностей биологических организмов; исследовать, как и почему произошли способности человека, обеспечивающие научное познание природы. Подход к исследованию когнитивной эволюции изложен в моей статье «Задача моделирования когнитивной эволюции», доступной по адресу: www.wsni2003.narod.ru/RedkoP.zip . Проблема происхождения мышления и интеллекта интересна и ученому, и просто образованному человеку. Исследования этой проблемы могут радикально повысить престиж науки.

Михаил Сергеевич Бурцев, канд. физ. -мат.наук, лаборатория нейробиологии памяти, отдел системогенеза, НИИ нормальной физиологии им. П.К.Анохина РАМН; отдел математического моделирования нелинейных процессов и синергетики, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва

Очевидно, что результаты обучения животных должны быть в большинстве случаев эволюционно полезными; тем более поразительно то, что современная нейробиология до сих пор не имеет удовлетворительной теории, объясняющей, почему обучение адаптивно. Правило Хебба и основанное на нем правило пластичности, зависящей от времени спайка (spike-timing dependent plasticity, STDP), порождают синхронизацию нервных клеток, но не дают адаптивности. Теория обучения с подкреплением феноменологически описывает процесс обучения на поведенческом уровне, но не дает возможности перейти на уровень механизмов. Выход из этого тупика может дать теория функциональных систем, разработанная в первой половине ХХ в. выдающимся советским нейрофизиологом П.К. Анохиным. Теория говорит, что поведение и обучение направлены на достижение результатов, адаптивность которых проверена естественным отбором в эволюции, что позволяет непротиворечиво увязать физиологический, поведенческий и эволюционный уровни.

Чтобы лучше понять процесс обучения, нам необходимо исследовать самые простейшие биологические системы, способные это деалать. Такой моделью может быть почвенная нематода, состоящая из 900 клеток, треть которых — нейроны, или культура нервной ткани in-vitro. Как показали работы последних лет, сети живых нейронов способны обучаться даже вне мозга — в пробирке. Преимущество изучения формирования адаптивных нейрональных сетей в культуре в том, что такая модельная система более удобна для воздействия и наблюдения, чем целостный организм. Думаю, что область исследования обучения в культурах нейронов будет развиваться и позволит сделать открытия, которые существенно изменят наши знания о работе мозга.

Что же нам даст понимание принципов обучения, увязывающих клеточный и системный уровни? Это не только откроет новые пути к расширению интеллектуального потенциала человека через улучшение обучения и памяти, но и позволит создать новый класс адаптивных искусственных систем. Не старомодные системы искусственного интеллекта, ограниченные узкоспециализированными системами, и не искусственные нейронные сети, неспособные быстро и эффективно решать неожиданные задачи, — появятся системы, которые можно назвать «умными». Умные системы будут обладать целенаправленным поведением, способностью самостоятельно распознавать проблемные ситуации и оперативно находить альтернативные пути получения требуемого результата. Подобные умные системы станут основой для появления нового поколения автономных роботов и компьютерных программ.

Ольга Евгеньевна Сварник, канд. психол. наук, лаборатория нейрофизиологических основ психики им. В.Б. Швыркова, Институт психологии РАН, Москва

Выбрать наиболее перспективную и важную проблему довольно затруднительно, поскольку выбор может осуществляться по разным критериям. Возможно, в плане инвестиций самой перспективной является проблема улучшения памяти, но я бы назвала другую, самую, по моему мнению, важную для понимания принципов работы мозга, важную в фундаментальном смысле. В вышедшей в этом году книге «Человеческий мозг» (Carter, Rita. 2009. The Human Brain Book. Har/Dvdr. DK ADULT,) в главе про память, сказано, что память — синхронизованная активность нейронов, которые были вовлечены в приобретение этой памяти. А вот из главы про восприятие ясно, что при восприятии информация просто «попадает» в мозг для последующей обработки. Так что восприятие кажется мне самой трудной, требующей новых подходов проблемой. Трудно представить, как могут непротиворечиво сосуществовать представления о синхронизации при воспроизведении и последовательном «проходе» информации в голове при восприятии. И это только самый первый вопрос, который возникает.

Отвечая на вопрос о новых методах, хочу отметить, что методы сами по себе не могут перевернуть представления. Представления как-то сами «переворачиваются», и это отдельный интересный научный вопрос — как возникает что-то новое, в том числе и в представлениях. Но такой переворот — довольно маловероятное событие, как предполагают историки и философы науки. Методы могут только как-то «подтвердить» или опровергнуть гипотезы, исходящие из имеющихся представлений. Самыми перспективными я считаю методы, позволяющие регистрировать активность всех нейронов в течение всего онтогенеза организма, во всех видах его поведения. Ключевые параметры моего «идеального» метода: клеточный уровень регистрации активности мозга и возможность непрерывного сопоставления активности клеток с текущим поведением организма. Возможно, что на каком-то этапе своего дальнейшего развития это может быть кальциевый или любой другой имиджинг.

Я думаю, что исследования мозга дадут в будущем простому человеку потенциальную возможность менять свою жизнь или восприятие своей жизни, что в сущности одно и то же, посредством направленного изменения активности своих нейронов. Вся психотерапия показывает, что это может быть крайне востребовано. Что-то вроде «спасение утопающих — дело рук самих утопающих». Лозунг «измени себя» может иметь вполне конкретное физиологическое наполнение.

Российская школа нейрофизиологии сильна идеями и теориями. Глобальностью видения проблемы. Способностью «встать на стол», как рекомендовано в фильме «Общество мертвых поэтов». Это может изменить угол зрения и само восприятие проблемы. Нужно делать школы для молодых ученых, в рамках которых необходимо подумать и «встать на стол», например в рамках работы над проектом, а не просто прослушать что-то новое, что «прилетело и улетело».

Юрий Иосифович Александров, докт. психол.наук, проф., зав. лабораторией нейрофизиологических основ психики им. В.Б. Швыркова, Институт психологии РАН, Москва

Наиболее перспективной и важной областью станут кросс-культурные исследования. Они в наибольшей степени и наиболее быстро изменят наши представления о мозге и о ген-культурной коэволюции. Сильные черты российской нейронауки связаны с культоспецифической тенденцией к системному, холистическому анализу. Эта же характеристика свойственна в России и другим наукам.