Крысиные мозги нарасхват

2008-09-12 В.И. Лебедев (В. И. Лебедев)

Медикам известно, что человеческий мозг – такой же орган нашего тела, как и другие, и так же как другие органы он может болеть и его нужно лечить. Но чтобы лечить, нужно знать, как он растёт, как работает. То есть, нужно его изучать. Это стремление движет многими учёными, изучающими мозговую деятельность с разных сторон. Это психологи и психиатры, невропатологи и физиологи, биохимики, и инженеры, и математики. (Кстати, военные тоже очень интересуются...).

Казалось бы, простая штука: взять несколько тысяч мозговых клеток, скажем, у крысы, подключить к ним электроды с датчиками и, пожалуйста, – изучай работу мозга! Подавай сигналы, записывай ответы, анализируй результаты. Не забывай вовремя поливать питательным раствором. Но на поверку дело-то, не простое.

*Справка.

Регистрация сигналов от живых клеток in vitro впервые случилась в 1972 году. Тогда ученые впервые сделали запись активности клеток сердечной ткани, помещенной в стеклянную чашу с электродами. В 1979 году в США научились стимулировать клетки для того, чтобы получить от них реакцию. Впоследствии эта технология положила начало методу МЕА (мультиэлектродного чипа).*

В наши дни несколько исследовательских групп успешно работают в этом направлении. (У роботизированных устройств на основе культуры нервной ткани даже появилось свое название — animat)

Клетки мозга очень чувствительны к условиям существования, выживут ли они в искусственно созданных условиях и как долго будут жить, ведь с ними нужно ещё успеть поработать. Эти и ещё много других проблем, пытались решать многие исследователи. Успешно удалось решить их группе разработчиков из Редингского университета в Великобритании и их коллегам из Технологического института штата Джорджия в США под руководством Стива Поттера.

Итак, учёными созданы несколько устройств, частью которых являются живые клетки мозга крысы.

Англичане, Бен Уолли, Дмитрис Ксидас и Джулия Даунс назвали своё устройство «Гордон». Оно представляет собой ящичек с раствором питательных веществ и антибиотиков, в котором находятся около 300 тысяч клеток головного мозга крысы, непосредственно соединённых с контактами микросхемы, а та в свою очередь – с приводящими механизмами. Эти искусственно культивированные нервные клетки посылают друг другу сигналы так же, как если бы они это делали в живом организме. 80-электродный чип позволяет фиксировать возбуждение нейронов, превращая его в набор сигналов. Эту информацию используют исследователи, чтобы управлять Гордоном.

Чтобы выполнить поставленную задачу, учёным пришлось при помощи специальных ферментов разъединить нейроны. Полученный таким образом тонкий слой изолированных нейронов поместили в питательный раствор на плату с электродами. Там нейроны смогли образовать между собой новые связи, выращивая аксоны и касаясь ими соседей по пробирке. Как говорят исследователи, оказалось, что клетки мозга могут повторно соединяться практически в любых условиях, пригодных для жизни. Наконец, по истечении пятых суток в образовавшейся нервной ткани появились признаки электрической деятельности, т.к. клетки уже отрастили плотные связи из аксонов и дендритов.

Как отмечают разработчики, сначала можно было подумать, что нейроны в пробирке беспорядочно производят электрические импульсы, которые обычно называют потенциалом действия. Без внешней стимуляции такая группа нейронов через несколько месяцев погибнет, поясняют исследователи. Потому специалисты приступили к обучению машины: они воздействовали на неё различными внешними раздражителями, чтобы посмотреть, как будет реагировать сообщество клеток.

Тем не менее, многие нервные клетки возбуждаются в унисон. Этот процесс нейрофизиологи называют залпом. Есть разные трактовки залпа в нервной ткани. Кто-то из ученых считает, что это патологическая деятельность нейронов, родственная эпилепсии. Другие физиологи придерживаются мнения, что это – процесс построения нейронной сети, отражающей сохранение памяти.

«Это можно интерпретировать как приступообразное поведение, — говорят исследователи, — залп, похоже, результат сенсорной депривации (т.е. сенсорного голода). Как существо без конечностей и рецепторов, такой мозг просто разрывается от скуки, — продолжают исследователи, — в итоге получается произвольная и очень разрушительная деятельность, потому что клетки лишены руководства».

*Справка.

Сенсорный голод может привести к существенным функциональным расстройствам деятельности организма. Например, в ходе специальных экспериментов обездвиженные на долгое время крысы умирали!*

К сожалению, достижение таких впечатляющих практических успехов (о чём ниже), не помешало учёным идеалистически трактовать полученные результаты. Всякий человек, знакомый с диалектическим материализмом, скажет, что данному развивающемуся мозгу нужно вовсе не «руководство свыше», а возможность деятельного познания мира. Ведь развитие разума подчинено диалектической логике, и мозг совершенствуется, только познавая окружающий мир путём практического действия. Нет действия, – нет и развития.

У мозга по мере усложнения организации закономерно возникает необходимость в практической деятельности, контакта с окружающим миром. И этот самый «залп» в развитии данного организма играет роль первоначального импульса, устанавливающего связь мозга с органом движения. То есть мозг посылает импульс, вслед за которым должен последовать ответный электрический импульс-ответ от мышцы. А он не поступает, и мозг зовёт и зовёт... (Например, движения зародыша в утробе матери имеют ту же природу.)

Выдвинув такую гипотезу (о «руководстве свыше»), пионеры аниматостроения — команда Поттера (США) предложила культуре нервных клеток «руководство свыше». Для этого через многоэлектродную плату (MEA), которая до сих пор использовалась как регистратор потенциалов, нейронам подали слабый электрический импульс. Оказалось, что им можно подавить залповую деятельность нейронов. «Сенсорный вход устанавливает второстепенный уровень деятельности в мозге», говорит Поттер.

Правда, здесь не совсем понятно, что имеет в виду Поттер под второстепенностью деятельности в мозге.

Если это значит "послушание" и "пассивность", то с ним нельзя согласиться, т.к. послушание это результат тренировок. Если же "второстепенный уровень деятельности мозга" подразумевает навязанное ему исследователями "руководство свыше", то утверждение просто неверно. Ведь в данном случае сам мозг решил подать сигнал (залп), а экспериментаторы на самом деле вместо "руководства свыше", просто заменили ответы от мышц сигналами от ЭВМ, т.е. предложили мозгу свои условия задачи.

Здесь у исследователя явный пробел в знании диалектики.

Тем временем воодушевлённые полученными результатами, учёные начать делать роботов, которыми управляют группы живых нервных клеток. Исследователи считают, что если им удастся заставить подобного робота сделать что-либо неоднократно (т.е., запомнить), посылая сигналы в культуру, а затем изменить нейроны химически, электрически или физически, чтобы разрушить эту управляемость, можно будет понять, как, все-таки, возникают расстройства в деятельности большого мозга (имеется в виду мозг человека).

В свою очередь, британские учёные, авторы и разработчики Гордона, Бен Уолли, Дмитрис Ксидас и Джулия Даунс, создавая своё детище, соединили культуру нервных клеток, ультразвуковой датчик и колесного робота.

Методика работы у них такая: они подают через электроды сигналы и регистрируют пики напряжения в определенных точках нервной ткани, которыми она на них отвечает. Когда обнаруживается область, которая четко отвечает на сигнал с электрода, клетки «обучают» его запоминать и присваивают их ответу какое-либо значение. Например, уклонение от преграды. «Если ультразвуковой датчик указывает нейронам на глухую стену впереди сигналом 1 Вт, а определенный участок культуры нейронов всегда производит потенциал 100 мВт, то эти сигналы можно связать между собой, — рассказывают разработчики, — и последний можно использовать, чтобы остановить робота или повернуть его прочь от стены».

Трудности, естественно, возникают при соединении культуры клеток и самого механизма передвижения. Поскольку живой материал должен сохраняться при температуре тела, мозг поместили в термостат, откуда он по каналу Bluetooth может общаться с роботом. В некоторой степени Гордон обучает сам себя. Когда он натыкается на стену, в крысиный мозг поступает импульс от датчиков. При повторе ситуации у робота формируется нечто, что можно назвать опытом. Чтобы помочь этому процессу, исследователи используют различные химические вещества, которые усиливают или тормозят формирование нервных связей в ходе выполнения тех или иных действий.

Британский робот катается по деревянному загону. Примерно 80% столкновений со стенами ему удается избегать.

Робот, созданный группой американцев, катается успешней: его встречи со стенами происходят всего в одном случае из десяти, т.е. он избегает 90% столкновений.

Как говорят исследователи, чтобы работать над проблемой роботов с живым мозгом, надо найти способ обучить группы нейронов реагировать на импульс от микрочипа по заданной программе. Поттер считает, что последовательность электрических импульсов может заставить культуру нервных клеток менять поведение робота. Теперь исследователь будет пробовать применять специально отобранные стимулы, постепенно обучая нейроны. «Это похоже на обучение животного, навык вырабатывается постепенным приращением», — говорит Поттер.

«Эти исследования, как мы надеемся, позволят понять, как работает мозг. Но не стоит делать из наших результатов сенсацию, — говорит Поттер, — наша система пока просто модель. И все, что она может, это не совсем то, что может мозг. Поэтому достаточно легко впасть в заблуждение».

Кстати, по словам Кевина Ворвика из университета Ридинга, одного из создателей робота, Гордон способен самостоятельно обучаться. Он не получает внешних команд от человека или компьютера на выполнение какого-либо действия. Кроме импульсов, идущих с крысиного "почти мозга" (это всё же не полноценный головной мозг), у робота нет никаких управляющих средств. Ни человек, ни компьютер в поведение машины не вмешиваются.

Сейчас исследователи пытаются разработать оптимальную технологию обучения робота. В частности, они используют химические вещества, блокирующие или, наоборот, стимулирующие прохождение нервного импульса по тому или иному пути. Создатели Гордона вырастили несколько различных "мозгов" для робота. Помещая их в Гордона, они могут менять его "личность". По словам Ворвика, отличия между вариантами "мозга" хорошо заметны. Один набор нейронов "обучаем" и хорошо реагирует на факторы окружающей среды, другой можно назвать упрямым.

"Это упрощённая версия того, что происходит в человеческом мозге, — характеризует Уорвик своё новое детище, — в котором мы можем увидеть и проконтролировать основные характеристики, так как нам нужно".

В многочисленных экспериментах прошлого не раз проводился анализ активности групп клеток в мозге живых существ. А в опытах, рассматривавших поведение животных в тех или иных ситуациях, биологи соотносили реакцию организма с "входными данными". Но вот что происходит на промежуточном уровне? Где-то между одним-двумя нейронами, получившими сигнал и передавшими его дальше и организмом в целом? Упрощённая модель организма, которой, по сути, является Гордон, предоставляет экспериментаторам возможность увидеть такую связь.

Цель эксперимента по созданию биоробота - изучение механизмов хранения воспоминаний в мозгу. Кроме того, ученые надеются, что наблюдения за совместной работой нейронов "мозга" Гордона могут оказаться полезными для разработки лечения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона или Альцгеймера.

Велика, всё-таки, мудрость человека!

Однако, сегодня, читая подобные интересные материалы, невольно задаёшься двумя вопросами: «Как скоро результаты этих исследований отразятся на успехах медицины?» и «Не окажутся ли как всегда первыми военные?»

По материалам www.akado.com и lenta.ru