Биохимия сознания и его болезней
Мозг людей с шизофренией со стопроцентной точностью можно отличить от мозга здоровых людей на молекулярном уровне, причем ключевые маркеры найдены не там, где все их искали. Новые данные открывают путь к системному изучению мозга человека
Можем ли мы на молекулярном уровне понять, как рождается человеческое сознание? До этого еще далеко, но современные методы экспериментальной биологии вместе с машинными методами анализа больших данных позволяют получать неожиданные результаты, касающиеся фундаментальных вопросов жизни. В недавней статье* в престижном журнале Nature Genetics авторы из России Павел Мазин и Филипп Хайтович и их коллеги из Германии увидели, изучив эмбрионы и взрослые ткани семи видов животных (шесть млекопитающих, включая человека, и одна птица), что тонкие настройки работы генов активнее всего используются при развитии мозга и сердца.
Программа развития и жизни организмов, как известно, записана в генах, которые хранятся в молекулах ДНК. Все ткани организма и каждая их клетка содержат один и тот же набор генов, но они очень отличаются друга от друга. Различия проявляются в результате развития от эмбриона к взрослому организму и связаны с тем, что один и тот же набор генов прочитывается на разных стадиях развития и в разных тканях по-разному. Из отдельных частей клеточной ДНК в результате их «чтения» (транскрипции) получаются молекулы РНК, из которых, в свою очередь, делаются белки, строительные материалы и инструменты работы клеток. На каждой стадии развития организмов в разных тканях считываются разные количества разных РНК. И это можно сейчас тотально прочитывать и анализировать.
Но сама РНК, чтобы из нее можно было сделать белок, должна пройти путь созревания, и это очень важно для регуляции активности разных генов в разных клетках и ситуациях. В сложных организмах текст генов (кодирующая последовательность) чередуется с ненужными на первый взгляд кусками текста, которые не имеют отношения к структуре будущего белка, как если бы мы в этой статье абзац значимого текста разбавляли абзацем абракадабры. В процессе созревания из РНК эти куски вырезаются, и этот процесс называется сплайсинг (от англ. splice — сращивать или склеивать концы). То, как устроено созревание РНК, очень важно для того, сколько и в каких ситуациях с нее считается молекул белков. И еще более хитрая вещь — этот самый сплайсинг: из гена может сделать разные РНК, и это явление называется «альтернативный сплайсинг». Эта тонкая настройка работы генов, как выяснилось, больше всего используется в мозге.
Разбираясь с результатами упомянутой статьи, «Эксперту» удалось обсудить с одним из ее авторов новые, еще не опубликованные результаты, открывающие целую программу системного исследования мозга.
Об отличии мозга человека от мозга шимпанзе, о том, как всего за миллион лет эволюции от обезьяноподобного предка могло возникнуть настоящее человеческое мышление, о том, как со стопроцентной уверенностью можно отличить здоровый мозг от мозга больного шизофренией, и о том, почему мы поразительно мало знаем о человеческом мозге и как построить программу его системного изучения, рассказывает профессор Сколковского института науки и технологий и Шанхайского научно-исследовательского института вычислительной биологии Филипп Хайтович.
Профессор Сколтеха Филипп Хайтович: «Все, что я делаю, я делаю для того, чтобы понять, можем ли мы объяснить наш интеллект нашим мозгом, доходя до молекулярных основ. Можно ли объяснить небольшим количеством событий эволюцию человеческого мозга»
Почему мы не знаем мозг
— В недавней работе вы с коллегами открыли неодинаковую роль в развитии разных органов различных животных такого инструмента управления генетической информацией в клетках, как сплайсинг. А что мы знаем о сплайсинге вообще? Это дополнительный уровень управления генетической программой?
— Сплайсинг — это способ получить больше разнообразия из одного генома («Получите больше из своей ДНК!»). Про мозг было известно, что в нем часто используются разные тонкие настройки активности генов, например использование альтернативных регуляторных последовательностей, определяющих регуляцию уровней РНК. Сплайсинг, видимо, тоже входит в арсенал управления активностью генов в нервных клетках. Большая часть вариантов сплайсинга не влияет на кодирующую часть гена, то есть из всех вариантов отредактированного сплайсингом РНК получается один и тот же белок. Разнообразное редактирование касается концов кодирующей молекулы, где располагается регуляторная информация, которая подсказывает, в каком количестве и при каких сигналах считывать с гена белок. Но встречаются и модификации белков, мозг обладает разнообразием еще и в том, что он делает
более разнообразные белки. Есть знаменитые примеры, когда такие белки используются для таргетирования растущих нервных окончаний, аксонов, к своим мишеням. Но, похоже, в мозге это только вершина айсберга. Мы смотрели на кору головного мозга и на кору мозжечка — и там и там мозг использует сплайсинг и для регуляции, и для того, чтобы получать новые формы белков.
— В чем была ключевая идея и главный ваш интерес?
— Это был большой проект. Самым интересным было посмотреть, как в эволюции меняется развитие организмов. Понятно, что процесс развития, взросления — очень консервативный, небольшая поломка в начале создания организма — и он может не выжить. Тем не менее разные виды животных выглядят и действуют по-разному, и значит, какие-то новые вещи в развитии все же появляются. Активность генов является молекулярной основой для всего процесса развития.
Сначала мы измеряли экспрессию (активность) генов при развитии в разных тканях разных видов. На уровень экспрессии генов смотрели и до нас. Конечно, это важно и интересно, много важной информации, но особых неожиданностей не было.
Изначально было понятно, что уровень экспрессии генов в развитии меняется, причем во всех тканях эти изменения должны нарастать по сравнению с исходным уровнем — при усложнении организмов и становлении органов активность генов должна расти в сравнении с активностью генов в клетках зародыша.
А вот сплайсинг — должен ли он меняться? Если да, то насколько?
Сплайсинг — это дополнительный уровень изучения активности генов. На него смотреть немножко сложнее, потому что, когда мы смотрим на активность генов, мы смотрим на весь ген, а когда на сплайсинг, то вынуждены следить за отдельными, короткими участками гена, активность которых может очень сильно варьировать в ходе самих измерений. Поэтому не так много групп в мире смотрят на сплайсинг, и это исследование было довольно новым.
Мы показали в этой работе, что разные органы имеют разный уровень изменений. Мозг использует альтернативный сплайсинг очень сильно. В результате последовательность РНК в мозге очень сильно отличается по сравнению с клетками раннего эмбриона. А в печени или почках особых изменений по сравнению с эмбриональным сплайсингом нет.
В семенниках, но уже в период полового созревания, происходит всплеск активности генов и альтернативного сплайсинга.
Однако больше всего удивило сердце. Казалось бы, сердце — ну, обычная мышца… Но в сердечной мышце альтернативный сплайсинг используется очень часто (не так часто, как в мозге, но все равно очень значительно). То есть если смотреть на расхождение тканей в развитии по общей активности генов, то получается что-то вроде куста: в основании — клетки зародыша, а потом от него ответвляются разные ткани. Но если смотреть по сплайсингу, то мозг, сердце и, во время полового созревания, семенники ответвляются от эмбрионального основания, а другие ткани, такие как печень и почки, так и остаются у основания.
— Как технически делалась эта работа? Интересно, как вообще сейчас делается интересная наука.
— Мы эту работу делали в течение шести лет. В данной теме главные — немецкие коллеги, они получили на нее большой грант, шесть миллионов евро. Первым этапом был сбор образцов. Довольно сложно собрать коллекцию образцов разных тканей разных видов животных. У нас в работе были и довольно экзотические виды, например опоссум, макака, да и из человека тоже непросто получить образцы тканей, особенно эмбриональной. Надо было в каждой ткани проверить, что в ней сохранилась РНК. А РНК — это же не ДНК с точки зрения стабильности молекулы. Это ДНК может тысячелетиями храниться в какой-нибудь пещере, из древнего зуба можно ее выделить. А вот с РНК так не выйдет. Если опоссум умер в зоопарке, то не факт, что от его РНК что-то останется, пока он доедет до лаборатории. После сбора коллекции выделяется РНК (и это техническая работа, это делают лаборант или робот), к ней «прошивают» адаптеры, и все это загружается в аппарат, который прочитывает последовательности миллиардов молекул РНК и выдает нам эти данные. А потом эти данные долго и муторно анализируются. Немецкие коллеги главным образом собрали большую коллекцию — это дело очень непростое, они и измеряли экспрессию — дело очень дорогое. Мы тоже участвовали в сборе образцов, но главное, в анализе данных — это была задача научного сотрудника нашей лаборатории Павла Мазина.
— А современная биология — это фабрика, умная, но все же фабрика? Или есть момент «искры» озарений и вдохновений — вот этого никто не видел, а ты увидел?
— По большей части фабрика. Вещи неочевидные — это вещи с высокой степенью риска, и на них очень сложно получить финансирование. Конечно, такие возможности все равно есть, есть такие работы. Но на то и риск, что немногие из таких работ выстреливают. Редкость, когда читаешь статью и думаешь: ого, я и не думал, что так можно. Но это не случай данной работы. Тут надо было собрать кучу образцов, потом измерить, используя кучу денег, уровни экспрессии и сплайсинга, а потом, применяя компьютерную технику, все это проанализировать. Конечно, это дает новую информацию, но никакого риска нет, мы в любом случае получили бы большой ресурс, базу данных, которую можно интерпретировать, изыскивать из нее много полезной информации, которую никогда никто не видел.
— А чем вы по-настоящему гордитесь за последнее время в вашей работе, что самое существенное?
— Мне больше всего нравится в нашей работе то, что нам удается, в том числе, делать вещи довольно маргинальные, которыми особо никто не занимается. Мы смотрели в основном на мозг человека и на то, что делает его уникальным. Наша идея очень простая: можем ли мы на молекулярном уровне понять, как рождается человеческое сознание. Мы смотрели на развитие мозга, чем развитие мозга человека отличается от развития мозга обезьян. Частично это отражено в новой работе про сплайсинг (в этой работе шимпанзе не было, были макаки, а довольно много вещей отличает нас от макак, естественно, но даже и от шимпанзе довольно много). Мы изучаем разные заболевания, которые ломают человеческую часть сознания: шизофрению, аутизм. Мы пытаемся разобраться, как же работает человеческий мозг, почему он работает иначе, чем у тех же шимпанзе. Шимпанзе умные, но не настолько, как человек. И когда мозг ломается, когда мозг развивается и когда мозг стареет, там все же что-то происходит. Таких работ в мире не так много.
— Ничего себе — главные вопросы жизни, Вселенной и всего такого, а таких работ мало!
— Ничего удивительного нет. Еще такой же важный вопрос: отчего происходит старение? И об этом тоже очень мало работ. А есть другой важный вопрос: почему люди заболевают раком? — но работ на эту тему полно.
— Из-за того, что практический выход очевиднее?
— Нет. Просто так сформирована наука — инерционно. Когда-то выделили много денег на онкологию, много лабораторий стали этим заниматься, а раз много лабораторий, то из них вышло много новых профессоров, которые тоже занимаются онкологией. Так складывается пирамида самых популярных научных тем. Если бы то же самое было сделано со старением или с человеческим мозгом, сейчас бы были тысячи лабораторий по этим темам.
Тест на шизофрению
— Так что же все-таки отличает мозг человека от мозга шимпанзе? Что самое неожиданное?
— Неожиданное зависит от того, что мы ожидаем. А это как раз меняется. Сначала ожидалось, что мозг человека окажется совсем другим. У человека с самого раннего возраста проявляются свойства, которые у шимпанзе вообще не проявляются, — значит, в мозге человека должны быть совсем новые вещи: новые клетки, новые регионы мозга, иначе эти клетки будут соединены. Залезли в мозг — ничего такого не нашли. Сразу бросились в другую крайность: совсем никаких отличий нет, человеческий мозг просто больше, чем у обезьяны, а устроен так же. Но когда стали разбираться, оказалось, что и это неверно. Отличий много, просто на более низком уровне организации — иначе построены мембраны клеток, метаболизм (обмен веществ) клеток, есть немного другие типы клеток, которые чуть иначе соединяются. Но нельзя вычленить какое-то одно решающее отличие.
И здесь загадка. Если отличий так много, то как это возможно эволюционно? По меркам эволюции прошло совсем немного времени с тех пор, как наш мозг был не лучше обезьяньего. Наши предки, которые жили миллион лет назад, еще почти ничего не могли делать, никакой культуры не было, камень о камень ударяли — и вся технология. С тем же успехом и шимпанзе это делают. Что же могло произойти в такой короткий срок, чтобы вызвать такие множественные изменения во всем мозге? Как мозг умудрился так радикально перестроиться?
Мы утверждаем, что изменения, вероятно, произошли в регулировании развития мозга. А в развитии организма достаточно одного переключения, чтобы возник целый каскад последствий. Представим: растет хвост. У кого-то он растет неделю, и вырастает маленький хвостик, а у кого-то он растет три месяца, и вырастает длиннющий хвост. Казалось, такая мощная вещь, длинный хвост, которым можно везде полезно орудовать, — как же такое могло произойти? На самом деле для этого нужно всего одно молекулярное переключение, изменяющее время взросления — развития хвоста.
В мозге очень много, видимо, закладывается в процессах развития, и одним или двумя переключениями можно изменить целые стройные программы. Основные элементы программы не поменялись, но поменялись их динамика и количество.
Шла ли эволюция именно по такому пути, неясно. Но это, по крайней мере, можно себе представить. За счет небольшого количества переключений в процессе развития мозг (не обезьяны, а нашего предка, который не мог так хорошо мыслить, как мы) усовершенствовался радикально.
— Вы сказали, что аутизм и шизофрения ломают человеческую часть сознания. Это что — только человеческие болезни, у шимпанзе они принципиально невозможны?
— Аутизм и шизофрения ломают именно те функции, которые у человека выражены больше, чем у шимпанзе. Если мы посмотрим на детеныша шимпанзе, как он играет с игрушками, и сравним с видеозаписями игр детей с аутизмом и без него, то увидим, что шимпанзята во многом напоминают детей с диагнозом. Они крутят кубики, берут ведро и бьют им по стене, но никак не взаимодействуют при этом со своими соплеменниками или с теми, кто за ними ухаживает и к кому они привыкли. Но человеческий ребенок постучит-постучит ведром — и покажет взрослому: мол, смотри, как я умею. А вот шимпанзята так не делают. Дело не в том, что у шимпанзе нет аутизма или шизофрении, просто те функции, которые ломаются при этих болезнях, наиболее ярко выражены у человека.
И когда происходит поломка, можно посмотреть, что именно сломалось в мозге, как мозг отличается от других людей и тех же шимпанзе.
И тут, как всегда, проблема с образцами. Уходит несколько лет, чтобы собрать образцы. Чтобы собрать коллекцию мозгов шимпанзе, ушло несколько десятилетий, коллекции мозгов аутистов практически нет нигде в мире. Есть коллекции, но очень фрагментарные.
С шизофренией, конечно, проще — тут мозгов больше.
— А у шизофрении есть понятные молекулярные маркеры? Или это комплекс разных поломок, которые называются одинаково?
— Очень глубокий вопрос. Если у нас заболел, к примеру, живот, то доктор нас посылает на УЗИ, на анализ крови. И по крови видно: что-то повышено, что-то понижено. А вот когда у пациента какая-то психиатрия, то его на анализ крови не посылают, разве что пошлют на скан мозга, нет ли опухоли, но и то очень редко. И у нас нет накопленной объективной диагностической информации на уровне биохимии или других маркеров, даже самой простой.
И поскольку нет объективных данных, диагноз выносится на основании собеседования. Примерно так: если пациент сказал, что слышит голоса, то это шизофрения, он слышит голоса и ему грустно — шизоаффективное расстройство, и так далее. Конечно, это упрощение. Но в целом это классификация как в ботанике: четыре лепестка, стебель разветвленный… В результате получается, что либо мы в ловушке избыточной детализации диагнозов, либо неоправданного обобщения. Либо практически каждому пациенту находим свою болезнь (под описание чистой шизофрении попадает мало кто, каждый случай особенный), либо мы шизофрению, депрессию, маниакально-депрессивный психоз считаем одним и тем же заболеванием. В результате специалисты часто бросаются из крайности в крайность.
Для того чтобы стать на объективное основание диагностики психиатрических заболеваний, было проведено много генетических исследований, исследованы миллионы человек. Оказалось, что генетические маркеры схожи при депрессии, шизофрении и маниакально-депрессивным психозе. Об этом давно догадывались, но сейчас ясно, что генетически эти болезни практически не различить.
С другой стороны, все генетические факторы, которые обнаружили до сих пор, потратив миллиарды долларов и других денег, не дают прямой ясной связи с заболеванием, они дают максимум (если все факторы суммировать) до семи процентов предрасположенности к заболеванию в случае шизофрении. Разве как-то повлияет на твою жизни знание, что у тебя нашли какие-то маркеры и определили риск шизофрении, скажем, на один процент больше, чем в среднем, а если ты уже дожил до взрослого возраста, то и того меньше?
Поэтому мы стали смотреть на другие молекулярные факторы, активность генов, на липиды, на обмен веществ в клетках разных регионов мозга (эта работа еще не опубликована, мы ее пишем). В целом это удивительно: шизофрению изучают сто пятьдесят лет, а ясной картины болезни на уровне изменений мозга так и нет. В мозге при шизофрении и других заболеваниях должны происходить довольно сильные изменения, иначе мы бы не увидели болезни. У мозга есть довольно серьезный запас прочности. Но в исследованиях негенетических молекулярных и структурных изменений в основном все смотрели на префронтальную кору. Все думали: у нас там самое главное. А как раз там мало что меняется. Тут тоже сказывается инерционность науки — инерционность областей поиска.
Мы сделали большое исследование — исследовали 75 регионов мозга. Тут был тоже очень важен сбор образцов — нужно, чтобы был целый мозг, чтобы можно было выделить из него все регионы, нам очень повезло, что Алексеевская больница оказала нам громадное содействие. И по некоторым регионам (по соединительным волокнам, по белому веществу, по определенным регионам коры) мы можем со стопроцентной аккуратностью сказать, был ли мозг человека с диагнозом или мозг здорового человека. Сто процентов!
И сейчас мы делаем анализ по плазме крови. И, может быть, даже по плазме крови можно будет что-то поймать, хотя там, конечно, будет не сто процентов.
— И как же вы изучали ткани мозга?
— Это ткани умерших людей.
— И смотрели на что?
— Системно и много на что — на экспрессию генов и на липидный состав мембран.
— А что за маркеры, по которым можно почти со стопроцентной точностью отличить больной мозг и здоровый?
— Не «почти» — со стопроцентной точностью. Много таких маркеров. Например, берем мембраны клеток, они состоят из липидов, кладем их в масс-спектрометр (прибор для определения масс молекул в образце по характеру движения их ионов в электрическом и магнитном полях. — «Эксперт»), у нас вылезает, скажем, 500 пиков соединений. Из них можно выбрать, скажем, пять, которые дадут стопроцентное отличие человека с диагнозом от человека без диагноза.
— Но это нас не очень приближает к тест-системе? У живого человека мы же не можем взять образец ткани мозга.
— Да, в обычной ситуации ткань мозга не поизучаешь. Поэтому мы стали смотреть и на плазму крови. Раз такие сильные изменения в мозге, то, может быть, в плазме они тоже будут выражены. И мы смотрим липиды, которые являются хорошим маркером в тканях мозга. (Мы делаем это вместе с Алексеевской больницей и Центром психического здоровья.) Плазма, конечно, плохой субстрат, она отражает прежде всего то, что происходит в печени, мышцах и только после этого то, что в мозге. Но так как мозг изменяется довольно сильно, какой-то сигнал есть. Это согласуется с прошлыми работами. Мы же не первые, кто пытался найти биохимические маркеры шизофрении. Просто мы движемся более системно, мы взяли кучу (больше тысячи) образцов. Сейчас будем тестировать. Если тесты пройдут успешно — значит, тест-система будет. Если тесты провалятся — значит, по-прежнему только собеседование.
— Генетические маркеры слабые, а биохимия (липидный состав) тканей меняется сильно. Как же так?
— С генетикой странно. Генетическая составляющая в шизофрении на самом деле сильная. В паре генетически идентичных близнецов редко бывает так, что один болеет, а другой нет. Практически всегда заболевают оба. Генетическая составляющая шизофрении оценена в шестьдесят–восемьдесят процентов. С другой стороны, полмиллиона человек участвовали в большом генетическом исследовании, но суммарно по всему геному (не по отдельным генам) объясняется только около семи процентов случаев. Это очень слабая связь.
Есть термин «потерянная генетическая вариабельность». Вроде бы генетические различия должны объяснять различия между людьми с диагнозом и без, но не объясняют. Где она, эта вариабельность, никто не знает.
Я не генетик, я смотрю на другое. Да и куда уже дальше смотреть на гены — исследовали полмиллиона человек, если взять теперь миллион, будет не намного больше информации. С болезнью Альцгеймера похоже. Было найдено около десяти связанных с ней генов, а недавно была опубликована статья: тоже взяли полмиллиона человек и нашли еще дополнительно примерно двадцать генов, а предсказуемость повысилась где-то с четырех до пяти процентов. Это просто грустно. Поэтому мы и смотрим не только на гены.
— И какая теперь у вас есть гипотеза по шизофрении?
— У нейробиологов исторически была доминирующей гипотеза, что большую роль играет дофамин и что нужно смотреть на префронтальную кору. А мы не нейробиологи, мы сказали: «Мы не знаем». И стали смотреть на все. И оказалось, что префронтальная кора изменяется слабее, чем другие части мозга.
Иногда отсутствие гипотезы может быть плюсом. С точки зрения нейробиологии то, что мы делаем, довольно абсурдно: зачем смотреть на шизофрению, например, в мозжечке? Но оказалось, что там изменений на порядок больше, чем в префронтальной коре. А вот как теперь интерпретировать полученные результаты — это уже работа нейробиологов, пусть они голову ломают.
Молекулярные основы сознания
— То, что вы говорите, ломает имеющиеся представления. Получается, есть генетические факторы, разные, без однозначной связи с болезнью, которые приводят к одной и той же системной поломке мозга, возможно в период развития. Так?
— Да, весьма вероятно, что аберрантное развитие — основное объяснение тех изменений, что мы видим во взрослом мозге. Сейчас важно докопаться до самых тонких моментов поломок — поискать общие регуляторы этих процессов, на какой стадии развития это может происходить. Если мы знаем регуляторы, мы можем посмотреть на их динамику в здоровом мозге. Это гораздо проще, чем пытаться у человека, у которого диагностировали болезнь в тридцать лет, найти образцы его крови в возрасте десяти или пятнадцати лет — это практически невозможно. Но если мы будем знать точки переключения, то исследовать сам процесс сможем на здоровых людях.
Очевидно, что в науке о мозге нужно двигаться от фрагментарных знаний к целому. Кто-то посмотрел МРТ, кто-то посмотрел липиды в отдельном кусочке, кто-то посмотрел экспрессию генов в другом отдельном кусочке мозга. Из всего вместе может сложиться картинка. Но складыванием таких картинок практически никто не занимается. Разные группы копают свою очень узкую область, публикуют статьи, получают гранты.
— А если представить «команду мечты», которая будет складывать фрагментарные знания о мозге, из кого она будет состоять?
— Психиатры, нейробиологи, молекулярные биологи, математики, компьютерщики, экспериментальные биологи. Гипотез (например, по поводу шизофрении) очень много. Для любых данных найдется гипотеза. И даже для отсутствующих данных тоже найдется гипотеза. С этим проблем нет. Нужен системный анализ того, как меняется мозг при шизофрении, на системный скелет можно будет налепить фрагменты знаний, накопленных за десятилетия изучения. Данных уже много. Но скелета пока не хватает.
— Если подтвердится гипотеза, что поломка происходит в процессе развития, взрослому человеку все равно трудно будет помочь? Это будет важно просто как фундаментальное знание о мозге.
— Да почему? Шизофрения не приговор. Множество людей испытывали один эпизод и потом всю жизнь оставались стабильны. Тут важно не допустить ухудшения, повторения эпизода. Шизофрения изменяет мозг по сравнению с нормой. Но и нормальное состояние тоже варьирует. Индивидуальные различия мозга одного человека от мозга другого человека тоже очень велики. Норма в развитии мозга очень широка. У кого-то отклонения от нормы не вызывают поломки, а у других отклонения зашли слишком далеко, и система не выдерживает. Если мы разберемся с природой заболевания, то мы для шизофрении сможем сильно уменьшить нагрузку поломок на систему. То же и для старческой деменции. И к тому же при прояснении механики болезни будут найдены методы профилактики. Другое дело, будут ли люди заниматься профилактикой. И сейчас понятно, что курить вредно, пить вредно, что нужно заниматься спортом, но мало кто использует это знание. Но какие-то инструменты будут.
— Для меня это все звучит как сенсация. Казалось, что надо при психических заболеваниях искать поломку на уровне высшей нервной деятельности, а оказывается, что поломка фиксируется вообще не там, а на уровне базовой биохимии.
— Это не революция. Такие взгляды высказывались, и даже приводились подтверждения. Проблема в том, что взглядов много, а данных мало.
То же самое — как произошла жизнь на Земле, есть же много гипотез. Но как их подтвердить, прямых данных нет и получить их невозможно — не вернешься же в прошлое.
Но в нашем случае получить данные можно — надо просто залезть в мозги. Сейчас есть машины, которые разбирают мозги на составляющие. Наше преимущество в том, что раньше не было настолько продвинутых методов. Раньше ученые красили мозг и что-то смотрели. А сейчас мы можем залезть в каждую клетку, посмотреть, где она сидит, из каких молекул состоит. Конечно, само по себе это не делает задачу простой. Мозг состоит из миллиардов клеток, сотни типов клеток структурно организованы специальным образом. Но, по крайней мере, мы можем начать это делать. Раньше у нас не было такой возможности. Пока микроскоп не был изобретен, никто не знал, что есть бактерии, инфузории-туфельки. Когда изобрели, люди что-то увидели, наверное, одну миллиардную от всего разнообразия, но, по крайней мере, открылся новый мир.
У нас сейчас для изучения мозга есть новые инструменты, которые позволяют, например, на активность генов смотреть очень детально — на уровне отдельных клеток. У нас появились компьютеры, которые эти данные могут обрабатывать, у нас появились математики и компьютерщики, которые умеют работать с громадными данными. Когда я был студентом, биологи умели делать простейшие статистические расчеты. Но если у тебя, как происходит сейчас, таблица данных не помещается в твой компьютер, то традиционный биолог эти данные уже не обработает. А тут часто нужен не просто статистический тест, а нужно построить математическую модель, применить простое машинное обучение. Сейчас все эти инструменты есть.
Первый прорыв в методах изучения мозга был гистологический: люди научились описывать клетки и ткани мозга. Это привело к революции в психиатрии и в понимании работы мозга. Мы сейчас находимся практически в той же ситуации: у нас есть новые инструменты, просто нужно работать, появится больше данных, и мы поднимемся на один уровень знания выше. То, что я говорю, вовсе не революционно, просто из тех фрагментов знания, которые уже есть, мы пытаемся нарисовать более систематическую картину на основе тех данных, что мы получаем.
— То есть вы показали, что у нас был очень узкий взгляд на мозг и надо изучать его в полноте. А как вы сами пришли к этим темам?
— До этого мы в основном занимались эволюцией, смотрели немножко на аутизм; шизофрения — наша недавняя тема, эти данные еще не опубликованы.
— Вы упомянули машинное обучение как инструмент. Искусственный интеллект замышлялся изначально не как способ считать задачи на большие данные, но как модель мозга. И современный искусственный интеллект, в отличие от первой модели нейронной сети — перцептрона, отличается только количеством слоев, количеством данных и производительностью компьютеров. То есть количественно в большей мере, чем качественно. Может быть, и в мозге количественный рост приводит к качественному эффекту?
— В большой степени это правда. У нас мозг побольше, чем у обезьян. Но, конечно, в мозге все устроено немножко сложнее. Сравнивать наш мозг с искусственным интеллектом — упрощение. Наш мозг включает в себя элементы, каждый из которых даже структурно можно описать примерно как элемент компьютерной нейросети. Но машинная нейросеть отлично работает на какой-то узкой задаче, хотя и чрезвычайно эффективно. Наш мозг в отдельных задачах работает не так хорошо, как машина, которая может миллиарды данных сортировать и процессировать очень быстро. Но зато наш мозг нацелен на широчайший спектр несхожих задач. Если представить себе несколько тысяч искусственных интеллектов, по-разному собранных, но почему-то объединенных в целое, то, может быть, получится более реалистичная модель мозга.
— Я так понял, что по исследовательской философии вы эмпирик, вы опасаетесь иметь любимую гипотезу или любимый вопрос, чтобы не пропустить что-то важное в реальности?
— Нет, конечно, у меня есть любимый вопрос. Все, что я делаю, я делаю для того, чтобы понять, можем ли мы объяснить наш интеллект нашим мозгом, доходя до молекулярных основ. Можно ли объяснить небольшим количеством событий эволюцию человеческого мозга. Но это очень общие вопросы и очень общая гипотеза.
И потому да, я рад, что у меня есть возможность получать новые данные. Потому что можно бесконечно спорить о мозге, как он устроен, как он ломается. Я рад, что у нас есть возможность не просто изучать какие-то его части, а изучать разные процессы в мозге, чтобы потом попытаться описать его как целое.
Мы какой-то вклад вносим, но до понимания того, как работает человеческий мозг, еще очень и очень далеко.
— Вопрос, выходящий за рамки научного разговора и темы. Все же мы обсуждаем темы, ключевые не только для науки, но и для философии с религией. И в истории философской мысли, и в религиозных представлениях давно обсуждается, что сознание и мышление не «находится» в отдельном мозге, что мы только носители какой-то части языка, культуры, архетипов, мировой души, чего-то, что точно больше нас. Так «находится» сознание внутри мозга или нет?
— Не знаю. И то, что мы делаем, на эти вопросы не отвечает. Но да, мне хотелось бы знать ответ на этот вопрос. И даже если мозг только носитель, он все равно крепко связан и с сознанием, и с мышлением. И он почти не изучен.
Насколько плохо мы понимаем мозг — это просто изумительно! Не перестаю удивляться. Казалось бы, такой интересный объект, уже столько о нем говорено, у кого ни спроси, у всех есть свое мнение о мозге и своя гипотеза о том, как он устроен и как работает, но знаний о человеческом мозге очень мало. Может быть, еще при нашей жизни всерьез продвинемся. Но вряд ли до конца разберемся.
*Mazin, P. V., Khaitovich, P., Cardoso-Moreira, M. et al. Alternative splicing during mammalian organ development. Nature Genetics (2021). https://doi.org/10.1038/s41588–021–00851-w
Фотографии предоставлены PR-службой Сколтеха
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl