На пути к искусственной памяти

Биомедицинский инженер и нейробиолог Теодор Бергер из Южнокалифорнийского университета (США) верит, что в не слишком отдалённом будущем людям можно будет восстанавливать память с помощью электронных имплантатов.

Если мозгу нанесён вред болезнью Альцгеймера, инсультом или травмой, нейронные сети разрушаются и долговременная память перестаёт формироваться. Вот уже более двух десятилетий г-н Бергер разрабатывает кремниевые чипы, которые призваны имитировать сигналы нейронов, функционирующих должным образом и позволяющих нам вспоминать.

Порой его называют сумасшедшим, но г-н Бергер уже показал, что его микросхема, внешним образом связанная с мозгом крысы или обезьяны, действительно обрабатывает информацию подобно реальным нейронам. «Мы не вкладываем в голову новые воспоминания, — подчёркивает исследователь. — Мы лишь возвращаем способность их создавать». В прошлом году он и его коллеги помогли обезьянам извлекать воспоминания из той части мозга, где они хранятся.

Нейропротезирование перестало быть фантастикой. Кохлеарные (улитковые) имплантаты помогают слышать более чем 200 тысячам человек путём преобразования звука в электрические сигналы, которые отправляются слуховому нерву. Недавние эксперименты показали, что вживлённые электроды позволяют парализованным людям двигать роботизированной рукой силой мысли. Предварительный успех сопутствует и разработчикам искусственной сетчатки.

Конечно, восстановление когнитивной функции — задача намного более сложная. Вот уже 35 лет г-н Бергер пытается понять поведение нейронов в гиппокампе — той части мозга, которая принимает непосредственное участие в формировании памяти. Учёный построил сложную математическую модель перемещения сигналов и доказал, что его уравнения верны. Оказывается, имитировать работу мозга можно — вот что сводит с ума.

Нейробиологи привыкли считать память серией электрических импульсов, которая за определённое время производится определённым количеством нейронов. Уже давно научились измерять микровольты на поверхности нейронов. Но что они кодируют? Как «выстрел» одного нейрона отражается на деятельности других?

В 1976 году гарвардский профессор Ричард Томпсон, у которого учился г-н Бергер, опубликовал статью, в которой показал, где у кроликов находится центр обучения. Животным дули в глаза и одновременно включали определённый звук. Кролики запоминали: если раздаётся характерный сигнал, надо моргнуть. На мембранах нейронов располагаются своего рода воротца, через которые входят и выходят электрически заряженные частицы — атомы натрия и калия. Амплитуда пиков электрической активности нейронов (потенциалов действия, как говорят нейрофизиологи) и их пространственное расположение не были хаотичными. И тогда г-н Бергер, помогавший учителю в проведении этих экспериментов, спросил себя: если один нейрон активизируется, как другие понимают, чем следует ответить?

Вскоре выяснилось, что простым ответ не будет. В конце 1980-х г-н Бергер работал в Питсбургском университете вместе с Робертом Склабасси. При стимулировании гиппокампа кролика электрическими импульсами и измерении выходящего сигнала выяснилось, что вход и выход находятся в нелинейных отношениях. «Допустим, вы вводите “один”, а на выходе получаете “два”, — поясняет г-н Бергер. — Это линейная зависимость. Но здесь сигналы перекрываются, и порой входящий импульс подавляется, а порой — усиливается».

К началу 1990-х глубина понимания работы мозга совпала с уровнем развития компьютерной техники, и вместе с коллегами из Южнокалифорнийского университета г-н Бергер приступил к созданию чипа, способного имитировать деятельность гиппокампа. Стало ясно, что при должном количестве и качестве оборудования можно смоделировать кусочек мозга. И тогда почему бы не попытаться вживить его?

Вместе с Василисом Мармарелисом г-н Бергер начал с гиппокампальных срезов крыс. Зная, что нейронные сигналы идут из одного конца гиппокампа в другой, исследователи посылали случайные импульсы, записывали сигналы в различных точках, чтобы разобраться в том, как они изменились, и затем составляли математические уравнения, описывавшие трансформации. Эти уравнения и легли в основу компьютерных микросхем.

Затем, дабы выяснить, способен ли такой чип послужить протезом для повреждённой зоны гиппокампа, исследователи занялись вопросом, можно ли обойти центральный компонент нейронной «магистрали» в срезах мозга. Электроды, помещённые в эту область, подавали электрические импульсы на внешнюю микросхему, которая осуществляла трансформации, обычно происходящие в гиппокампе. По другим электродам сигналы возвращались обратно в образец.

Далее учёные попытались проделать это на живых крысах и показать, что компьютер действительно способен стать частью гиппокампа. Они обучили животных нажимать один из двух рычажков для получения лакомства, записывая импульсы в гиппокампе при правильном выборе. Эти данные позволили построить модель изменения сигналов после преобразования усвоенного урока в долговременную память. Таким образом был получен код, который, по мнению г-на Бергера, представляет собой собственно память. После этого крысам скормили препарат, нарушавший способность формировать долговременные воспоминания, из-за чего они забыли, на какой рычажок нажимать. А когда мозг таких крыс получил искусственные импульсы, они всё вспомнили.

В прошлом году учёные опубликовали результаты экспериментов с префронтальной корой приматов — той областью мозга, которая восстанавливает долговременные воспоминания, хранящиеся в гиппокампе. Исследователи поместили электроды в мозг обезьян и записали код работы префронтальной коры, который, по их мнению, заставлял животных вспомнить картинку, показанную накануне. Затем приматов одурманили кокаином, но искусственный код вновь помог им выполнить задачу по распознаванию изображений.

В ближайшую пару лет г-н Бергер и его коллеги собираются вживить протез непосредственно в мозг животных. Они также намерены показать, что микросхемы способны формировать долговременные воспоминания в самых разных жизненных ситуациях, ведь, может статься, все предыдущие успехи были связаны только с тем, что учёные выявили не код памяти, а код образования конкретных воспоминаний. Возможно, общего кода памяти не существует вовсе.

Однако г-н Бергер указывает на то, что морфология и биофизика мозга накладывают ограничения на трансформацию электрических сигналов в гиппокампе. И даже если не удастся обнаружить код работы памяти, есть надежда на то, что код окажется применимым во многих ситуациях. Многие пациенты с потерей памяти только за это будут благодарны по гроб жизни.

Запланированы и опыты на людях. Сейчас в Южнокалифорнийском университете проходят эксперименты по использованию электродов, вживлённых в гиппокамп, для предотвращения судорог у пациентов с эпилепсией. Вероятно, полученная информация пригодится и г-ну Бергеру.

«Я и не мечтал, что дойдёт до людей, — признаётся исследователь. — А сегодня мы уже обсуждаем, когда и как это лучше сделать».

Подготовлено по материалам Technology Review.
Дмитрий Целиков
science.compulenta.ru