Отдельные клетки мозга активируются при появлении определённых идей. Эти концептуальные нейроны, ранее известные как «клетки Дженнифер Энистон», помогают нам думать, представлять и вспоминать эпизоды из нашей жизни. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Абстрактные представления людей, объектов и идей хранятся в отдельных клетках мозга, известных как концептуальные нейроны. Исследования показывают, что они играют центральную роль в памяти.
Введение
Представьте, что вы на первом свидании, потягиваете мартини в баре. Вы едите оливку и терпеливо слушаете, как ваш спутник рассказывает о своей работе в банке. Ваш мозг обрабатывает эту сцену, частично разбивая её на концепции: Бар. Свидание. Мартини. Оливка. Банк. Глубоко в вашем мозге активируются нейроны, называемые концептуальными клетками.
У вас могут быть концептуальные клетки, которые активируются для мартини, но не для оливок. Или те, которые активируются для баров — возможно, даже для этого конкретного бара, если вы там уже бывали. У идеи «банка» тоже есть свой набор концептуальных клеток, возможно, миллионы. И там, в этом тускло освещённом баре, вы начинаете формировать концептуальные клетки для своего свидания, нравится он вам или нет. Эти клетки активируются, когда что-то напоминает вам о нём.
Концептуальные нейроны активируются при восприятии концепции независимо от того, как она представлена: в реальной жизни или на фотографии, в тексте или речи, по телевизору или в подкасте. «Это более абстрактно, это действительно отличается от того, что вы видите», — сказала Элизабет Буффало, нейробиолог из Вашингтонского университета.
Десятилетиями нейробиологи высмеивали идею о том, что мозг может обладать такой высокой избирательностью, вплоть до уровня отдельного нейрона: как может быть, что на каждую из, казалось бы, бесчисленных концепций, с которыми мы сталкиваемся на протяжении жизни, приходится один или несколько нейронов? «Это неэффективно. Это неэкономично», — по словам нейробиолога Флориана Мормана из Боннского университета, все согласились.
Но когда в начале 2000-х годов исследователи обнаружили концептуальные клетки, смех начал утихать. За последние 20 лет они установили, что концептуальные клетки не только существуют, но и играют решающую роль в том, как мозг абстрагирует и хранит информацию. Новые исследования, в том числе недавно опубликованное в журнале Nature Communications, предполагают, что они могут играть ключевую роль в формировании и извлечении воспоминаний.
Мы знаем, что мозг обрабатывает информацию о внешнем мире посредством сложной динамики нейронных цепей, говорит математик Валерий Макаров-Слизнева из Мадридского университета Комплутенсе, который провёл теоретические расчёты, доказывающие существование концепт-клеток. Однако также возможно, что отдельные клетки играют важную роль в реконструкции реальности мозгом.
«Природа со временем перешла к простым, но эффективным концепциям, вместо того чтобы заниматься сложными распределёнными вычислениями, — сказал он. — Мы проще, чем думали».
Пародия, воплощенная в жизнь
Концепция концептуальной клетки была шуткой для нейробиологов, пока не перестала ею быть.
В 1969 году нейробиолог Джером Леттвин прочитал в Массачусетском технологическом институте лекцию, которая стала его знаменитой. С насмешкой он рассказал студентам историю о вымышленном нейрохирурге, который осматривал вымышленного пациента, у которого были сложные отношения с матерью. Чтобы помочь пациенту, нейрохирург удалил в его мозге клетку, кодирующую память о его матери, тем самым стерев все воспоминания о ней. Довольный своим достижением, он продолжил исследования, начав искать «клетки бабушки».
«С тех пор люди продолжают говорить о бабушкиных клетках», — сказал Родриго Киан Кирога, нейробиолог из Исследовательского института больницы Дель Мар в Барселоне. Теоретически бабушкина клетка — это один нейрон, спрятанный где-то среди 86 миллиардов нейронов в вашем мозге, который кодирует информацию об одной из ваших бабушек. Вы удаляете её, и — бац! — всё, что вы знаете об этом человеке, исчезает из вашего мозга.
Эту идею никто не воспринимал всерьёз. По клетке на каждого человека, которого вы когда-либо встречали? «Разве это не смешно?» — сказал нейробиолог Кристоф Кох из Института мозга Аллена в Сиэтле. «Люди высмеяли всю эту идею».
Но не все. В 1990-х годах исследовательская группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе под руководством нейрохирурга Ицхака Фрида разработала новый тип электрода, способного регистрировать активность отдельных нейронов — беспрецедентный уровень разрешения на тот момент. Будучи одновременно учёным и хирургом, Фрид всегда интересовался памятью и нашей психической жизнью. «Каким-то образом весь внешний мир преобразуется в некое представление» в мозге, сказал он. Это представление может быть отражено в расплывчатых и абстрактных понятиях, лишённых деталей реального мира. Как это может выглядеть?
Фрид и Кирога сотрудничали с Кохом в проведении исследования. Исследователи получили согласие пациентов с эпилепсией, которым в мозг уже были имплантированы электроды в рамках лечения, на регистрацию и анализ их нейронной активности. Электроды устанавливались в медиальной части височной доли каждого пациента – области мозга, включающей миндалевидное тело, энторинальную кору и гиппокамп, центр эмоций и памяти.
Затем они показывали пациентам изображения объектов. В 2000 году исследователи сообщили, что отдельные нейроны, по-видимому, представляли широкие категории, такие как лица, сцены, дома или животные, активируясь при появлении нескольких изображений в каждой категории.
Результаты предполагают, что может существовать нечто вроде бабушкиных клеток, но только в том случае, если эти клетки реагируют не только на изображения.
Клеточное зачатие
В начале 2000-х годов Кирога экспериментировал с созданным им алгоритмом анализа данных с электродов, который позволил ему идентифицировать гораздо больше нейронов, чем было возможно ранее, — даже те клетки, которые редко активировались и поэтому их было сложнее обнаружить. «Я вижу нейроны, которые люди раньше не замечали… потому что я использовал приёмы, которым научился из физики и математики», — сказал он. «А потом я сказал: „Что ж, я хочу посмотреть, что делают эти нейроны“».
Сначала он показывал пациентам с эпилепсией изображения таких учёных, как Ричард Фейнман и Альберт Эйнштейн, чтобы проверить, реагируют ли нейроны на отдельных людей. Когда пациенты не могли их узнать, он пробовал показывать им фотографии более узнаваемых мест и людей, включая Дженнифер Энистон, звезду популярного сериала «Друзья».
К своему восторгу он обнаружил нейрон, реагирующий на актёра. Это породило новый вопрос: «Реагирует ли он на эту фотографию Дженнифер Энистон или на понятие „Дженнифер Энистон“?» — вспоминал он. В последующем эксперименте он показал пациентам семь разных фотографий Энистон и обнаружил, что один и тот же нейрон активировался для всех фотографий, но не для изображений других актёров или предметов. Затем он начал выявлять нейроны, отвечающие за другие известные места и людей. Он обнаружил один, который реагировал только на Холли Берри, и другой, который активировался только на Пизанскую башню.
Кирога написала имя «Опра Уинфри». Те же нейроны, которые активировались при восприятии её фотографии, активировались и при восприятии её имени. Это означало, что нейроны не реагировали на характеристики изображения, такие как яркость или цвет: они были контекстно-независимыми. Они реагировали на Опру как на понятие.
Концептуальные клетки могут активироваться при появлении концепции (в данном случае Дженнифер Энистон) в различных презентациях. Слева направо: изображение; текст; изображение со связанными концепциями; речь.
Он знал, что его наблюдение за активацией одного нейрона не означает, что на каждое понятие приходится только один нейрон. Если бы это было правдой, «шанс обнаружить его был бы близок к нулю», — сказал он. «Я шутил, что если бы это было так, мне следовало бы бросить науку и начать играть, потому что я был бы самым счастливым человеком на свете». Он считал, что в мозге должно быть много нейронов для каждого понятия, но не знал точно, сколько именно.
В 2005 году группа опубликовала свои результаты в журнале Nature, и эти клетки стали в разговорной речи называть «клетками Дженнифер Энистон». Поначалу, из-за давнего негативного восприятия бабушкиных клеток, «было сложнее всего заставить людей принять возможность существования таких клеток», — сказал Кох. В схожей статье нейробиолог Чарльз Коннор писал: «Никто не хочет, чтобы его обвиняли в вере в бабушкины клетки. Но…»
Что это были за клетки бабушки? «Я категорически против этой точки зрения», — сказал Кирога. Конечно, эти клетки были крайне избирательны, активируясь только на Энистон, а иногда и на близких родственников, которые могли бы вызывать у неё ассоциации, например, на других актёров сериала «Друзья». Однако пародийная концепция клетки бабушки предполагала соотношение концепта и клетки один к одному, а в случае с этими клетками это было не так.
Через год после публикации данных команда провела некоторые вычисления. Основываясь на оценке психологов, согласно которой мозг способен различать около 20 000 семантических концепций, они подсчитали, что миллионы нейронов кодируют каждую концепцию, и что каждая нейронная концептуальная клетка может кодировать десятки различных, хотя часто и связанных, концепций.
«Когда ваш мозг постоянно сталкивается с чем-то — даже с такими сложными вещами, как собаки, кошки, люди, деревья и корабли, — у нас появляются нейроны для этого», — сказал Кристоф Кох, нейробиолог из Института мозга Аллена. «У меня, конечно же, будет много [концептуальных] клеток для мистера Феликса», — имея в виду его собаку (на фото).
Например, клетки, активирующиеся для Гарри Поттера, могут также активироваться для его школьных друзей-волшебников Рона Уизли или Гермионы Грейнджер. Возможно, они активируются даже для Гэндальфа, волшебника из «Властелина колец». «Та же профессия, но другая история», — сказал Морманн. «Иногда настройка узкая, направленная на одного человека и никого больше, а иногда — шире, например, на целую категорию, например, «волшебники». Та же концептуальная клетка может также активироваться для «волшебной палочки» или «стариков в мантиях с бородами», добавил он.
Концептуальные клетки могут кодировать всё, что угодно, но они не используются для распознавания объектов. Они слишком медленные для этого: эти клетки активируются с задержкой около 300 миллисекунд. «Непонятно, почему это занимает так много времени», — сказал Уэли Рутисхаузер, нейробиолог из медицинского центра Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе. Скорее, эти клетки, по-видимому, погружаются в более внутренний процесс, формируя абстрактное представление, основанное на прошлом опыте и памяти.
У каждого человека свой набор понятий и клеток, которые их кодируют. Не все смотрели «Друзей» или следят за культурой знаменитостей. Вместо этого концептуальные клетки развиваются для людей или объектов, которые нам дороги или с которыми у нас есть некоторая история. «Репрезентация зависит от прошлого опыта этого организма и вещей, которые были связаны раньше», — сказал Буффало. Например, ваш мозг может сформировать ассоциацию между вашим свиданием и баром, где вы его встретили, так что ваши концептуальные клетки для мужчины могут также активироваться для бара. Однако это верно только в том случае, если бар тесно связан с человеком, сказал Морманн: если это место, куда вы постоянно ходите, маловероятно, что один и тот же нейрон будет активироваться для обоих.
В течение многих лет после публикации работы Кирога, недовольный прозвищем «нейронщик Дженнифер Энистон», пытался закрепить термин «концептуальные клетки». Он не прижился до 2012 года, когда он опубликовал в журнале Nature статью под названием «Концептуальные клетки: строительные блоки функций декларативной памяти».
В статье была представлена его гипотеза о том, что мозг использует концепт-клетки для преобразования информации из окружающего мира в память. Этот процесс требует абстракции: извлечения релевантной информации из опыта, удаления ненужных деталей и её сохранения. Он предположил, что концепт-клетки, как абстрактные представления идей, таких как конкретные люди или объекты, могут связываться друг с другом, образуя новые ассоциации (подобно словам в предложении) и служить строительными блоками для воспоминаний (подобно истории, составленной из предложений).
«Это основа того, как мы храним воспоминания», — сказал Кирога.
Создание памяти
Для многих учёных идея о том, что концепт-клетки связываются и переплетаются, формируя воспоминания, интуитивно понятна. Поскольку воспоминания так важны для нашего выживания, это «лучшее объяснение того, почему наш мозг может позволить себе такую роскошь, как столь высокая специализация на независимых семантических понятиях», — говорит Сина Маккей, аспирантка Боннского университета, работающая с Морманном.
Действительно, в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, их команда обнаружила самые убедительные на сегодняшний день экспериментальные указания на то, что концептуальные нейроны могут связывать конкретные объекты с локациями в нашей долговременной памяти. Десятилетиями исследователи изучали клетки, хранящие информацию о местоположении в нашем мозге. Исследование показало, что паттерны активации концептуальных нейронов и нейронов местоположения коррелируют со способностью пациентов запоминать местоположение объекта. Концептуальные нейроны отвечают за «что» в наших воспоминаниях, в то время как локационные нейроны отвечают за «где», пишут авторы.
Концептуальные клетки также связаны с рабочей памятью, которая временно активируется, когда вы ходите по магазинам за продуктами или запоминаете номер телефона. Этот тип памяти «имеет низкую ёмкость и предъявляет высокие требования», — сказал Рутисхаузер. «Если вы слегка отвлечетесь, она исчезнет». В 2017 году его команда обнаружила, что концептуальные клетки остаются активными в течение нескольких секунд, пока вы пытаетесь удержать информацию в рабочей памяти. А в исследовании, опубликованном в журнале Neuron в конце 2024 года, его команда обнаружила, что рабочие воспоминания с большей вероятностью переходят в долговременную память, когда концептуальные клетки пациента активны.
Рабочая память также включается, когда вы представляете себе какую-то ситуацию или рассказываете историю. «Шрек и Дженнифер Энистон заходят в бар… Может быть, Шрек заказывает пиво», — предположил Питер Рулфсема, изучающий зрение, восприятие и память в Нидерландском институте нейронаук. Когда вы читаете это предложение, образы Энистон, Шрека и бара сливаются воедино, один за другим. Вероятно, концепт-клетки играют роль в этом воображении. «Вы создаёте нечто в своей рабочей памяти, что постепенно становится богаче и, возможно, реалистичнее, — сказал он, — а затем разворачивается история».
Группа Рулфсемы недавно обнаружила, что концепт-клетки реагируют и на местоимения. В исследовании местоимение «он», заменяющее «Шрек», активировало те же концепт-клетки, что и «Шрек». «[Местоимение] затем направляет внимание на концепт „Шрек“, который будет подлежащим следующего предложения», — сказал Рулфсема. «Я думаю, это просто замечательно, что это можно измерить».
Ячейки швейцарской армии
Исследователи спорят о том, как концептуальные нейроны вписываются в другие модели репрезентации внешнего мира мозгом. Они — «фантастическое открытие», — сказал Дьёрдь Бужаки, нейробиолог из Нью-Йоркского университета, десятилетиями изучавший гиппокамп. Однако, по его словам, репрезентация концепций происходит в мозге на разных уровнях — на уровне отдельного нейрона и на уровне клеточных популяций. «Что важнее?» — задался он вопросом.
Одним из препятствий на пути к поиску ответа является сложность обнаружения концепт-клеток. В настоящее время их изучение возможно только в клинических условиях, когда пациентам имплантируют электроды по медицинским показаниям. Это ограничивает круг лиц, которые могут изучать эти клетки, и способы их изучения.
Кроме того, им непросто дать определение, считает Кори Миллер, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Отчасти проблема заключается в расплывчатости определения самого понятия «концепция» — никто не может сказать, есть ли у нас концепт-клетки для таких переживаний, как, например, эмоции.
Одна из интригующих возможностей заключается в том, что разнообразные клетки гиппокампа могут быть переназначены для выполнения разных функций в разных контекстах. «Когда начинаешь изучать историю и общую картину, начинаешь чесать голову», — сказал Бужаки. «Есть клетки времени, есть клетки места, есть пограничные клетки, клетки граничного вектора, есть клетки концептов… И в какой-то момент ты говоришь: „О, это не может быть правдой, в гиппокампе ограниченное количество нейронов“».
Возможно, эти нейроны могут играть разные роли и приобретать разные идентичности в зависимости от поставленной задачи, сказал Буффало. Когда им нужно стать концептуальной клеткой для Дженнифер Энистон, они ею становятся. Когда им нужно стать клеткой места, помогающей вам найти мартини в баре, они становятся клеткой места. «Эта клетка похожа на швейцарский армейский нож», — предположил Миллер.
Немногочисленные группы, имеющие доступ к пациентам и технологии регистрации активности отдельных нейронов, с энтузиазмом продолжают свои эксперименты. Морманн хочет понять, насколько абстрактными могут быть концептуальные клетки: в предварительных данных он обнаружил некоторые концептуальные клетки, реагирующие на общие, аморфные понятия, такие как «государство» и «налоги», но больше тех, которые реагируют на конкретные понятия, например, «Дженнифер Энистон». Кирога, тем временем, надеется доказать, что концептуальные клетки специфичны для людей — эта горячо обсуждаемая идея имеет потенциально глубокие последствия. Если ни одно другое животное не способно представлять понятия в мозге, сказал он, «я бы сказал, что это основа нашего интеллекта».
Теперь, когда вы прочитали эту статью, возможно, у вас сформировались концептуальные клетки, которые кодируют концептуальные клетки — концепции, которые мы каким-то образом способны уместить в своем мозгу.
Исправление : 22 января 2025 г.
Описание эксперимента с электродами было обновлено с целью уточнения того, что электроды были имплантированы пациентам изначально в медицинских целях. Статья также была обновлена с целью исправления аффилированности Кироги и указания «локационных ячеек».
Источник: www.quantamagazine.org
