Перспективы Neuroscience

Как обычно, главной причиной прогресса в естественных науках являются методологические разработки. Конечно, концептуальные разработки следуют и идут параллельно, но я думаю, что колоссальное расширение области нейронаук было вызвано рядом методологических прорывов на самом низком уровне. Это были достижения в области молекулярной биологии, генной инженерии, которые предоставили модельные системы для изучения развития для изучения определенных заболеваний.

Эти методы также предоставили чрезвычайно ценные инструменты для биохимической и молекулярной идентификации нейронов. Мы узнали о степени диверсификации морфологически, казалось бы, идентичных нейронов, которые наделены различными молекулярными механизмами. Всем этим мы обязаны развитию молекулярной биологии.

Вторым важным фактором, на мой взгляд, было развитие неинвазивных технологий визуализации, потому что это позволило нам перенести большое количество концепций, которые были разработаны в экспериментах на животных, в исследования на людях. Итак, это функциональная позиторно-эмиссионная томография с магнитно-резонансной томографией.

Кроме того, внедрение магнитоэнцной голографии, которая позволила значительно улучшить пространственное разрешение для анализа электрической активности в мозге, привело к значительному расширению этой области. Затем, я думаю, немаловажным фактором была доступность, растущая доступность огромных вычислительных мощностей, потому что по мере того, как нейробиология начала применять методы многосайтовой записи, которые я считаю важными для анализа свойств нейронных сетей, данные становились все более сложными, и становилось все более невозможным просто оценить данные, глядя на них, как в классические времена, когда я начинал работать в этой области. Компьютеров не было. Мы должны были провести анализ взаимной корреляции, вырезая длинные полоски бумаги и перемещая их по полу.

Таким образом, доступность вычислительных мощностей значительно продвинула вперед по крайней мере системную физиологию. Я думаю, что это оказало серьезное влияние на эти события. И последнее, но не менее важное: наличие этих компьютерных средств позволило нам также рассматривать свойства нейронных сетей на теоретическом уровне.

Динамика, демонстрируемая нейронными сетями, настолько сложна, что только исследования моделирования и теоретические подходы позволяют нам сформулировать обоснованную гипотезу. Кроме того, для поиска нейронных кодов мы не можем обойтись без этих инструментов поиска. Таким образом, я думаю, что в целом эти методологические разработки привели к огромному расширению нейронаук, что, на мой взгляд, является беспрецедентным в любой научной дисциплине.

Что касается моих собственных исследований, то в моей биографии есть две части. Изначально я изучал процессы развития в мозге. Меня особенно интересовали процессы развития, которые формируются под влиянием опыта после рождения.

Обоснование такого подхода заключалось в том, что я чувствовал, что организация зрелого мозга настолько сложна, что мы лучше изучаем принципы развития и пытаемся извлечь из них смысл, а также пытаемся экстраполировать, к чему эти процессы развития в конечном итоге приведут. Но затем случайное открытие, которое на самом деле произошло в той самой лаборатории, где мы сидим, изменило мою жизнь, потому что я случайно обнаружил, что нейроны в первичной зрительной коре котят, которые бодрствовали, на самом деле сидя на столе позади меня и наблюдая за дрейфующей решеткой, были вовлечены в высокосинхронную колебательную активность, которую я не мог бы объяснить ни ухудшением стимула, ни главного переключателя в Германии составляет 50 циклов, потому что Это было колебание в диапазоне 40 Гц. Таким образом, я впервые увидел, что пространственно распределенные нейроны могут координировать свою активность с очень высокой точностью в миллисекундном диапазоне на довольно больших расстояниях.

И это натолкнуло на мысль о том, что, возможно, время используется в качестве пространства кодирования для координации распределенных нейронных реакций. И мне этот вариант показался мне настолько интересным, что я решил пренебречь столь любимой областью нейробиологии развития и направить большую часть своих усилий на дальнейший анализ этого феномена. И это уже почти 15 лет назад или больше.

И с тех пор мы проводили большую часть нашего времени в многосайтовых записях и поиске пространственно-временных патентов в распределенных нейронных сетях, потому что мы твердо убеждены, что информация не только закодирована в скорости разряда нейронов, как это принято классически предполагать и подтверждается, но что дополнительная информация закодирована в точных временных отношениях между отдельными разрядами нейронов, в результате чего корреляции нулевого фазового озера. Так что точное совпадение, вероятно, только верхушка айсберга. Но важный совет: поскольку синхронная активность особенно интересна в нейронных сетях, потому что она распространяется очень легко: синхронизирующие реакции являются средством повышения заметности нейронных реакций при большом временном положении.

Это можно делать по принципу «спайк за шипом». И первоначальная гипотеза заключалась в том, что эта синхронизация используется на периферических этапах сенсорной обработки для того, чтобы установить связи между особенностями, которые обрабатываются пространственно распределенными нейронами. С тех пор многие другие лаборатории занимались поиском феномена синхронизации.

Это началось, я думаю, в Европе с коллег, таких как RI, которые применили методы ЭЭГ для оценки синхронной колебательной активности в мозге и связи этой активности с когнитивными функциями. И с тех пор роль колебаний и синхронности обсуждается весьма спорным образом. Первоначальные сомнения в том, что это явление может существовать, я думаю, теперь все это опровергнуто, и теперь мы все заняты поиском функциональных последствий.

И существует множество гипотез о том, что это может означать. Отражает ли накопление этого огромного количества данных, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время и с которыми мы сталкиваемся с очень большими трудностями, чтобы справиться, истинный прогресс? Это, безусловно, отражает прогресс, потому что мы узнаем все больше и больше фактов и подробностей об организации нейронов, нейронных сетей и мозга в целом.

И это неизбежное следствие классических аналитических подходов, которые применяются в естественных науках. Мы изолируем подсистему, а затем описываем ее все более подробно. Но это только половина научных усилий.

Что нам также нужно, так это индуктивная стратегия. Это синтез всех этих данных. И сейчас мы сталкиваемся с тем, что у нас огромное количество слов.

У нас огромный словарный запас, который трудно запомнить, но нам не хватает синтаксиса, чтобы объединить эти слова в осмысленные предложения во многих областях. Это имеет место, в частности, в системной нейронауке. Поэтому нам нужно, я думаю, больше теории, потому что условия стали настолько сложными, что близких словесных описаний, вероятно, уже недостаточно для того, чтобы понять или осуществить этот синтетический процесс.

Нам нужны формальные описания, нам нужны инструменты анализа, которые позволяют нам генерировать модели, а это требует очень мощных вычислений. И потом, конечно, нам нужны синтетические мыслители. Это, наверное, самый важный ингредиент на данный момент.

Люди, которые могут объединить большое количество деталей в осмысленные гипотезы или концепции. Конечно, можно стимулировать этот процесс, обеспечив соответствующую среду, и во всем мире мы видим усилия по созданию таких сред путем создания учреждений, которые обычно называют Институтом вычислительной нейронауки или Институтом теоретической нейронауки. В настоящее время многие из этих мест все еще существуют в двух больших изолированных друг от друга и недостаточно связаны с экспериментальными институтами.

В идеале хотелось бы видеть очень тесное сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами, как это было столь плодотворно в физике, где физики-теоретики и физики-экспериментаторы очень тесно сотрудничают, обмениваются идеями о данных и делают это без зависти, чего до сих пор нет в нашей области. Но я думаю, что биология сейчас приближается к порогу, когда она достаточно зрела, чтобы поддерживать теоретические подходы значимым образом. И здесь, во Франкфурте, мы основали Франкфуртский институт перспективных исследований именно для этой цели, потому что я убедился, что физики и математики, теоретики в целом, когда они работают в экспериментальном институте, они, как правило, маргинализируются.

У них не хватает коллег, с которыми можно поговорить, потому что биологи обычно не обучены их языку. Идея заключалась в том, чтобы создать институт, в котором теоретики изучали бы несколько модельных систем, биологических модельных систем, которые являются многокомпонентными системами, тесно связанными друг с другом, как лунная система или мозг, в надежде, что эти теоретики смогут обнаружить общие принципы в этих сложных самоорганизующихся системах и что они смогут обмениваться аналитическими инструментами. может совместно использовать инструменты для построения моделей. И я думаю, что это сработало, потому что примерно за год этот институт вырос с нуля до 120 ученых.

И особая структура этого института, которая не удивительна для коллег в Америке, но является совершенно исключительной в Европе, заключается в том, что этот институт финансируется исключительно за счет частных средств доноров. Это не университетский институт, он связан с университетом во Франкфурте, но это финансы в другом смысле по той простой причине, что было невозможно создать такое междисциплинарное предприятие в рамках обычных факультетов, потому что то, что там происходит, действительно является дисциплинарным, оно пересекает факультеты, и они кажутся реализуемыми только при наличии собственного здания и собирании людей, которые приходят из самых разных дисциплин под одной крышей. Несмотря на то, что эти термины изначально были заимствованы из физических систем, они все же охватывают некоторые характеристики мозга, потому что мозг явно является самоорганизующейся системой.

В мозге нет проводника, который бы координировал все распределенные процессы. Мозг развивается самоорганизующимся образом через взаимодействие между генами и окружающей средой. Инструктора нет, нет чертежа, априори.

И, наконец, этот термин очень хорошо применим к тому, что мы постоянно наблюдаем в сложных системах, а именно, что сложные системы имеют тенденцию проявлять свойства, которые не могут быть описаны или выведены из свойств компонентов. И мозг является особенно хорошим примером этого факта, который, как мы знаем из всех сложных систем, в мозге нет ничего особенного. Особенность мозга заключается в том, что с одной стороны у нас есть материальные процессы, нейронные взаимодействия, которые можно описать с точки зрения третьего лица как любой другой процесс в нашем окружении.

И эти нейронные взаимодействия являются ментальными феноменами, психологическими феноменами, такими как эмоции, мысли, решения. Таким образом, существуют реальности, которые я хотел бы рассматривать как социальные реальности, которые возникают или возникают в результате взаимодействия между мозгами, которые общаются друг с другом, отражают друг друга, приписывают друг другу свойства, могут заменить мозг людьми, на самом деле не имеет значения, потому что то, что делает человека человеком, в конечном счете, является мозгом в его телесной среде, и в результате этих взаимодействий возникают явления, которые следует воспринимать как реальные явления. Они являются реальностью, но их нужно описывать на другом языке как явления, которые их порождают, а именно как нейронные взаимодействия. И поэтому я думаю, что это классический случай эмерджентности, когда что-то новое генерируется сложной системой, никто никогда не сможет сделать вывод из знания, полного знания нейронов, и даже из полного знания нейронных сетей, что они способны развивать системы ценностей, когда они взаимодействуют друг с другом.

Я думаю, что главная проблема в наших усилиях по восстановлению мозга заключается в том, что помимо того, что нейроны в центральной нервной системе не регенерируются легко, они не любят продлевать процессы после их разрыва по причинам, которые мы не знаем. Возможно, не было никакого эволюционного давления Evo на развитие таких механизмов, потому что повреждение мозга, которое действительно приводит к гибели клеток в больших масштабах, обычно было несовместимо с выживанием. Большая проблема в восстановлении нейронных сетей, которые были повреждены, заключается в том, что трудно повторить процесс развития.

Зрелый мозг характеризуется чрезвычайно сложной схемой, которая развивалась шаг за шагом в сложном самоорганизующемся процессе, управляемом диалогом между генами и все более дифференцированной клеточной средой, которая меняется на протяжении всего развития. И этот процесс по сути идет снизу вверх. Периферийные структуры созревают первыми, затем они проходят через критические периоды, и связь становится постоянной, так что более высокие уровни могут полагаться на то, что уже построено, а затем они организуются как функция того, что уже есть.

И этот процесс продолжается в человеческих существах до 20 лет, а затем схема кристаллизуется, и тогда нам приходится жить с мозгом, который у нас есть на тот момент времени. Существует дальнейшая модификация за счет обучения и нейропластичности, но она ограничена. Теперь, если бы кто-то заменил нейроны на более высоких уровнях процессинга, например, путем инъекции стволовых клеток или около того, эти нейроны, которые мы уже знаем, они могли бы дифференцироваться, они, предшественники, могли бы стать нейронами, но проблема в том, найдут ли они партнеров, с которыми им придется взаимодействовать?

Останется ли там та информация, которая была доступна во время разработки, которая направляла рост аксонов, которая руководила формированием конкретных связей. И мы знаем, что в значительной степени эта информация больше не доступна, потому что гены, необходимые для экспрессии необходимых молекул-маркеров, отключаются, как только развитие подходит к концу. И что, вероятно, необходимо, так это то, что мы не только поставляем клетки, которые могут дифференцироваться в нейроны и, конечно, также клетки ggl, но также включаем или помогаем организму включить гены, которые были активны в процессе развития, что приводит к экспрессии всех молекулярных механизмов, необходимых для того, чтобы сообщить клеткам, с кем они должны соединиться. где они должны соединяться.

И, конечно, что не так просто восстановить, так это все эти специфические проводки и настройка синаптической игры, которые происходят в процессе обучения. У вновь интегрированных нейронов, конечно, не будет ни сувенира, ни воспоминаний об опыте, который был отпечатан в морфологии, структуре и функциях исчезнувших нейронов. Так что существуют определенные ограничения на возможность восстановления.

И, как мы понимаем в данный момент, есть определенные места в мозге, где это, кажется, представляет меньшую проблему, потому что природа предвидела пожизненную регенерацию нейронов и, по-видимому, поддерживала механизм, который необходим для того, чтобы способствовать этой непрерывной регенерации и вставке нейронов, как в гиппокампе, так и в обонятельной луковице. Но другие структуры, где это, вероятно, вызывает большие проблемы, первые замены, которые были предприняты и имели определенный успех, хотя они еще не были удовлетворительными, где модулирующие системы, где топологическая специфичность не является такой большой проблемой. Эти системы функционируют скорее как эндокринные или паракринные системы, которые высвобождают определенные трансмиттеры, необходимые для поддержания определенного уровня возбудимости.

Эти системы легче заменить, потому что специфичность не является проблемой, но будущее покажет, как далеко мы продвинулись в этой области. Безусловно, очень перспективные подходы в восстановлении оксонного выроста в нескольких спинных мозгах путем ингибирования факторов, которые препятствуют росту у взрослого человека, и путем активации механизмов, которые вступают в действие во время развития и способствуют росту. В этой области есть обнадеживающие успехи, но также следует очень серьезно рассмотреть возможность нейронного протезирования, чтобы записывать нейронную активность из мест, где она все еще доступна, а затем с помощью механических устройств и компьютерных интерфейсов активировать актеров, которые могут перевести эту активность в действие для двигательной системы.

Или, наоборот, с сенсорной точки зрения, кохлеарные имплантаты уже работают превосходно хорошо. В настоящее время предпринимаются попытки разработать имплантаты сетчатки для того, чтобы восстановить рудиментарные зрительные функции у людей с дегенерацией сетчатки. Существует также очень многообещающий вариант вставки светозависимых железных каналов в клетки сетчатки, чтобы клетки, которые обычно не чувствительны к свету, например, ганглиозные клетки, или биполярные клетки, стали светочувствительными, чтобы в принципе можно было сохранить некоторую функцию, которая теряется, когда фоторецепторы дегенерируют, просто передавая светочувствительность нейронам второго или третьего порядка.

Это уже возможно в экспериментах на животных. Это может быть еще одним многообещающим направлением. Я думаю, что в Европе сложилась очень сильная традиция развития концепций конца XIX века, когда у руля были те выдающиеся фигуры, которые в какой-то степени заложили основы для более поздней экспериментальной нейробиологии.

Они также являются прадедушками значительного числа системных физиологов, которые работали в Европе. Я думаю, что в Европе всегда существовала хорошая традиция в системной нейронауке, когда теория линейных систем была еще на пике своего развития, в кибернетике, как ее называли в Европе, было несколько очень сильных представителей, таких как, например, rehad. Затем произошло что-то вроде не знакового поворота, но молекулярного поворота в Европе, как и везде, молекулярная биология взяла верх и заменила многие системно-ориентированные подходы.

Отчасти потому, что изначально это было дешевле, чем работать с целыми животными, отчасти потому, что неинвазивные технологии были недоступны, и нельзя было делать на животных определенные вещи, которые теперь можно сделать с людьми. Но я думаю, что в системной физиологии происходит сильный ренессанс, даже несмотря на то, что в Европе нам приходится вести жесткую борьбу с защитниками животных в отношении первичных исследований, это действительно критический вопрос. Лаборатории, которые могут, они все еще получают лицензию на работу с приматами, становятся все меньше и меньше, а тех, у кого еще есть лицензия,

Так обстоит дело и с нами, где мы очень сильно подвергаемся общественной критике, но системная нейронаука все еще переживает ренессанс. И я думаю, что для этого есть веские причины, потому что мы будем нуждаться в этом все больше и больше, чтобы разобраться в обилии данных, которые собираются свойствами нейронов и малых цепей. И эти данные могут быть интегрированы только в том случае, если у нас есть концепции, выведенные из системной нейронауки о природе нейронного кода, о взаимодействии областей в мозге, о глобальной координации процессов, о распределенной обработке.

Все эти вопросы горячо обсуждаются в данный момент, и нам просто нужно больше экспериментов в этом направлении. И я думаю, что Европа находится в неплохом положении для этого. Не стоит забывать и о вкладе, в том числе и о концептуальном вкладе наших коллег в Израиле, который значителен.