«Астросеть»: внутри мозга нашли новую сеть, но не из нейронов
Исследования мозга всегда сосредотачивались на активности нейронов, уделяя гораздо меньше внимания клеткам глии, «темной материи мозга», хотя накапливались данные о ее влиянии на нейросети. По данным нового исследования, вышедшего в Nature, клетки глии не просто влияют на работу нейросетей, но создают собственные, охватывающие весь мозг сети — «даркнет мозга».
Темные лошадки мозга
Глиальные клетки, которых в мозге больше, чем нейронов, обслуживают нейроны: кормят, ремонтируют, поддерживают (мозг человека, подобно арбузу, в основном состоит из воды, и нейронные структуры нуждаются в каркасе). Их долго считали «клетками второго сорта», но, как выяснилось пару десятилетий назад, их роль в деятельности мозга намного больше и загадочнее. Недаром у животных по мере эволюции постепенно увеличивается число глиальных клеток относительно числа нейронов.
Самый распространенный тип глии — астроциты, клетки, похожие на звезды с многочисленными короткими отростками (по виду они как нейроны без аксона, длинного отростка, — из аксонов состоят нервы). Астроциты не просто «молча работают», а ведут оживленный диалог с нейронами и друг с другом. В отличие от нейронов, для общения они не используют электрические сигналы, — только химические. Было обнаружено, что они обладают рецепторами, чувствительными к нейротрансмиттерам — веществам вроде дофамина, которыми обмениваются нейроны. Выяснилось, астроциты отслеживают передачу информации между нейронами.
И не просто так отслеживают. Оказалось, астроциты могут усилить передачу нервного сигнала с помощью выброса в синаптическую щель такого же нейротрансмиттера или ослабить сигнал, поглощая молекулы нейротрансмиттера. Кроме того, они могут выделить сигнальные молекулы, которые заставят аксон увеличить или уменьшить выброс нейротрансмиттера. Таким образом, астроциты способны вмешиваться в нейронную активность и регулировать ее.
Они даже умеют управлять образованием синапсов, регулируя их количество и определяя место, где нейронам следует образовывать новые синаптические соединения. Регулируя синапсы и сигналы, проходящие через них, астроциты могут играть огромную роль в процессах памяти, обучения (которые на нейронном уровне и состоят в изменении характера нервных связей), да и во всех психических процессах.
Звездная сеть
В новом исследовании обнаружили, что астроциты в мозге мыши образуют обширные сети, похожие на нейросети мозга, создаваемые нейронами. Про сети астроцитов не то чтобы совсем не подозревали, — просто не могли отследить, насколько протяженными могут быть цепочки соединенных астроцитов, и многие считали, что сети астроцитов носят крайне локализованный характер. А сейчас исследователи даже составили первую в истории трехмерную карту сетей астроцитов, показавшую, что эти сети соединяют отдаленные области мозга, в том числе между полушариями, а также между областями коры и стволом мозга, в котором находятся самые древние и самые базовые для управления организмом нейронные структуры.
По словам авторов исследования, «астромагистрали» на карте не дублируют нейронные пути, а обладают высокой специфичностью:
«Это как секретная система метро, о существовании которой мы не знали».
Кроме того, исследование показало, что сети астроцитов пластичны, подобно сетям нейронов, — например, астроциты изменяют свои связи в ответ на сенсорную депривацию.
Открытие помог сделать новый метод, заимствованный из генной терапии. Исследователи вводили в участки мозга живых мышей генетический редактор, который заставлял астроциты оставлять своего рода «штамп» на сигнальных молекулах, которые астроциты отправляют другим астроцитам через щелевые соединения — у них есть свой аналог синапсов. Эти «штампы» позволили авторам визуализировать связи и обмен молекулами в сети астроцитов. Ученые сделали мозг мышей «прозрачным» и с помощью специального микроскопа получили трехмерные изображения каждого помеченного астроцита. Проделав это с сотнями мышей, они смогли составить карту сети астроцитов в мышином мозге.
Зачем мозгу еще одна сеть клеток, обрабатывающая информацию? Мы не знаем. Возможно, это информация о том, какие вещества и ресурсы нужны нейронам и где их взять, а может, о чем-то совсем другом. Кстати, результаты другого недавнего исследования показали, что нарушения в сетях астроцитов приводят к расстройствам, сходным с шизофренией. Но в любом случае «астросеть» — это фундаментальное открытие, не только про мышиный мозг, но и про наш.
Сети внутри сетей
С сетью нейронов внутри мозга тоже все оказалось несколько сложнее, чем полагали еще недавно. Нейроны обычно рассматривают как простые логические элементы, но каждый нейрон в математическом смысле скорее похож на многослойную нейросеть. А в биологическом смысле нейрон похож на живой организм. Ведь наши клетки — далекие потомки самостоятельных живых организмов со сложным поведением, и они не то чтобы совсем утратили эту сложность.
Многие клетки организма, далеко не только нейроны, способны запоминать информацию и учиться (как и какие-нибудь инфузории), коммуницировать, обмениваясь сигналами, то есть обладают сложным гибким поведением. А значит, и сложным вычислительным и запоминающим аппаратом для реализации этого поведения. Внутри каждой клетки существует своего рода макромолекулярный мозг, управляющий ее поведением.
И кстати, не только нейроны объединяются в сложные интеллектуальные системы. Внутри нас есть и другие системы типа иммунной со своим аналогом интеллектуальных функций, то есть по-своему моделирующие внешний мир и принимающие решения.
А нейрону сама эволюция велела быть способным на сложное поведение — работа у него такая. Современные исследования подтверждают, что нейроны не просто суммируют входные сигналы, а сами выполняют нелинейные преобразования. У дендритов (коротких отростков нервных клеток) есть собственные локальные импульсы и пороги активации, они могут действовать как отдельные логические элементы, а затем эти промежуточные сигналы интегрируются в теле нейрона. Исследование нейробиологов из Университета Гумбольдта несколько лет назад выявило систему обработки информации в дендритах пирамидных нейронов неокортекса, которая использует градуированную обработку сигналов с помощью дендритных потенциалов действия, опосредованных кальцием, в отличие от типичных потенциалов действия «все или ничего», создаваемых потоками ионов натрия и калия.
То есть дендрит в одиночку способен выполнять вычисления. Он принимает сигналы своими синаптическими структурами и обрабатывает их, прежде чем передать дальше. А дендрит — это лишь одна из сотен или тысяч веточек, отходящих от тела нейрона. Один нейрон может образовывать сотню тысяч синаптических связей. Нам пока не по силам даже точно смоделировать его работу: это потребует, помимо правильного понимания, еще огромных вычислительных мощностей наших примитивных машин.
Очень долго нейрон представляли как простой точечный узел в системе, интегрирующий сигналы и передающий их дальше. Эта модель «тупого нейрона» может помешать и пониманию мозга, и развитию нейроморфных вычислительных сетей. Все любят простоту, никому не нужна лишняя сложность, но, вполне возможно, для следующего большого шага в развитии интеллектуальных технологий придется признать, что обработка информации в нервной системе — гораздо более сложная и многоуровневая штука, чем наши вычислительные устройства.
Мы восхищаемся мозгом как сложнейшим устройством во Вселенной. Однако он, похоже, гораздо сложнее, чем нам кажется. Возможно, то, как мы сейчас представляем себе сложность мозга, больше соответствует уровню сложности одного нейрона.