Мировые ученые #3 | Марина про то, как прийти в биологию из журналистики и про стажировки и магистратуру в Германии https://vk.com/podcast-135956994_456239020

Третий выпуск подкаста уже онлайн и ждет ваших лайков и репостов!

Недавно меня снова спросили про различия в мозге во время сна и бодрствования, и мне конечно же очень хочется пуститься в длинную дискуссию о том, что сон и бодрствование - это совсем не переключатель на стенке, а состояния, перетекающие и вторгающиеся друг в друга, причем как в норме, так и в патологии. Сон это загадка и абсолютно завораживающее явление, и как-нибудь я обязательно планирую заняться им поближе. А пока наткнулась на небольшой обзор, который как раз описывает целый спектр необычных состояний во время бодрствования и сна. Обзор опубликован в "Current Topics in Medicinal Chemistry" (don't ask me) и в меру упорот, но если вам нравилось читать байки Оливера Сакса, то наверняка зайдет и обзор - State Dissociation, Human Behavior, and Consciousness

Там даже упоминается alien abduction (опыт похищения инопланетянами) как вероятная комбинация сонного паралича и гипнагогических галлюцинаций (происходящих при засыпании), так как люди, сообщающие о таком опыте, всегда переживают его во время перехода от сна к бодрствованию и при засыпании в определенной позиции (на боку)

https://www.researchgate.net/profile/Carlos_Schenck/publication/51637539_State_Dissociation_Human_Behavior_and_Consciousness/links/56670d9f08ae8905db8b8d44/State-Dissociation-Human-Behavior-and-Consciousness.pdf

Andreas Tolias в лекции про неокортекс приводит отличную аналогию с тостером, чтобы показать неполноценность структурного или функционального подхода к изучению мозга в отрыве друг от друга.

А лекция лежит вот тут
https://www.youtube.com/watch?v=Rkd_tBMNWVg&feature=youtu.be

Мышь и землеройка в лабиринте - кто кого? Очень веселое видео про то, как грызуны способны ориентироваться в лабиринте и протискиваться через ооочень маленькие щели (ради награды, конечно же, только приматы и головоногие, а еще вероятно киты, делают такую хрень ради развлечения)

https://www.youtube.com/watch?time_continue=782&v=UB_37encRCI&feature=emb_logo

Море внутри креациониста

Кажется у меня появилась любимая иллюстрация эволюции, которая подбирается к человеку так близко, как только возможно. Вот все эти "онтогенез повторяет филогенез", у человеческих эмбрионов в утробе есть перепонки между пальцами - это как-то сложно или далековато.

А вот что такое физиологический раствор знают все. После диареи, сильных ожогов, или даже сильного обезвоживания после пробежки человеческому существу становится не очень, и иногда ему даже приходится капать физраствор прямо в вену, и сразу отпускает. Или глотнуть модного изотонического напитка (вот там все немного сложнее, но речь не об этом). А что такое физраствор? Да это просто соляной раствор, чаще всего - из обычной 'столовой' соли хлорида натрия, а иногда ещё прокачанный другими солями и глюкозой. А нафига нам вообще соль в крови и организме?

ТАДАМ! Да потому что наши древние предки миллионы лет назад вылезли из океана на сушу, а вся молекулярная машинерия - каждый белок, фермент, да и просто давление клетки - эволюционировали так, что могут работать только в воде определенной солёности. Вот и получается, что мы таскаем с собой океан внутри, только чтобы поддерживать всю эту молекулярную фабрику внутри каждой клетки. Кровь - это подкрашенный в красный цвет соляной раствор, по которому плавает куча прочих штук. Только задумайтесь - вместо того, чтобы перестраивать все в организме под пресную воду, куда более простым эволюционным решением для вышедших на сушу существ оказалось просто замутить небольшой океан внутри, омывающий мозг, все органы и клетки, извлекая соли из того, чем мы питаемся.

Смотрите, какой красивый сайт у российского стартапа, разрабатывающего технологии для отлавливания космического мусора! С музыкой и кучей анимации и инфы. Космическим мусором - обломками спутников, ступеней ракет и тд, завалена вся орбита, и пока ее не расчистят - никакого космического туризма не будет.

https://securingspace.com/

Зачем сверлить себе дырку в черепе?

За последнее время у меня скопилась куча о*уительных историй, но самая топовая из них - трепанация черепа, производимая в разных целях, иногда - самим субъектом. В палеонтологической летописи черепа с дырками находятся достаточно часто и практически везде - в древней Греции, обеих Америках, Африке и Полинезии. При этом дырки круглые и аккуратно проделанные - явно не случайные травмы, и считается, что трепанации делались в ритуальных целях. Про некоторые племена известно, что таким образом пытались лечить хроническую боль или другие неврологические нарушения.

Но сегодня не про это. Сегодня - про современных западных любителей ветра в голове. Недавно я наткнулась на Аманду Филдинг - британского нейробиолога, которая на себе проделала самотрепанацию с помощью стоматологической дрели и сняла при этом эпатажный (и кровавый) документальный фильм “Heartbeat in the Brain” (в интернетах найти не удалось). Она при этом довольно известный исследователь влияния психоделиков на мозг и эксперт по вопросам законодательства в отношении наркотиков.

Главная идея сверления дырки в голове в том, что это, якобы, позволяет “биению сердца лучше проявиться в мозге”, проще говоря - из-за меньшего давления кровообращение в мозге увеличивается и это ведет к “более продвинутому состоянию сознания” (не спрашивайте). Она при этом активно пытается вести исследования на этот счет, но (о чудо), врачи и грантодатели не охотно соглашаются этим заниматься. Но не в России! В России такое норм, так что в сотрудничестве с учеными из Института Сеченова они даже написали статью о том, что дырка в черепе положительно влияет на внутричерепную динамику крови и спинномозговой жидкости (то есть крови приливает в голове действительно больше), а также на метаболизм мозга [1]. Показатели измеряли на пациентах, которым трепанацию сделали по другим медицинским показаниям.

В свою очередь, идею самотрепанации Аманда позаимствовала у своего еще более эпатажного друга-голландца Барта Хьюгеса, которому в 60-ые годы отказали в медицинской степени Университета Амстердама из-за чрезмерного увлечения марихуанной (мм, сложно такое представить теперь). Он считал, что с развитием прямохождения у людей кровь стала сильно хуже поступать в мозг, а трепанация ее туда наоборот подталкивает (от биения сердца) и приводит человека в перманентное состояние эйфории (если так можно назвать “being high”, а заодно избавляет от неврозов. Эйфория же, вероятно, проявляется на фоне перенасыщения мозга кислородом - такой эффект можно получить за счет гипервентиляции.

Некоторые источники говорят, что Хьюгес на самом деле просверлил только небольшую дырку и сильно испугался хлынувшей крови и отступил, а рана зажила через два дня. Вскоре он отправился в психиатрический госпиталь, чтобы поделиться своим опытом просветления с врачами, но вместо этого его приняли туда на три недели [2].

В принципе, если сверлить в неопасном месте (не над кровяным синусом мозга), то процедура не особо страшная. Твердая оболочка мозга (dura mater) не должна повреждаться, а сама дырка довольно быстро затягивается кровью. Но повторять в домашних условиях не рекомендую, потому что крови к мозгу может приливает и больше, но про долгосрочные эффекты особо ничего не известно. А чтобы наглядно представлять, посмотрите как красиво пульсирует весь мозг (и сетчатка) синхронно с сердцебиением (без дырки в голове) - что еще раз напоминает о том, что мозг, вообще-то, очень мягкая, нежная, желеобразная субстанция, так что не надо там ничего сверлить без надобности [3]

[1] https://link.springer.com/article/10.1134/S0362119708030055
[2] https://www.lambiek.net/artists/d/dijk_eveline-van.htm
[3] https://twitter.com/micahgallen/status/1122610145337516032

Ящерицы, унесенные ветром
Как-то я последнее время увлеклась веселым чтением про эволюцию, но когда речь идет об экспериментальной эволюции - это почти всегда про микроорганизмы. За короткое время можно нарастить тысячи поколений и показать на них изменения под давлением среды. Крутой пример - эволюция бактерий на огромной, метровой чашке Петри с увеличивающейся концентрацией антибиотиков, где наглядно появляются мутанты, способные размножаться в среде с антибиотиком, и происходит это очень, очень быстро (плохая новость для человечества). Взгляните на это прекрасное видео и помните, что то же самое происходит в вашем организме, когда вы не допиваете до конца курс антибиотиков.
https://www.youtube.com/watch?v=plVk4NVIUh8

Можно ли наглядно показать эволюцию в реальном времени на каких-нибудь зверях покрупнее и посолиднее? В Science вышла клевая статья, раскрывающая тему на ящерицах. На Карибских островах живет куча разных ящериц, узко приспособленных к своей среде обитания: в зависимости от того, где живет вид - на земле, в кустах или на деревьях - у него варьируется длина лап (на длинных лучше бегать, короткими лучше цепляться за деревья) и цвет кожного мешка на груди для приманивания партнеров и отпугивания соперников (у обитающих на солнце он темнее для контрастности). Эти ящерицы - своего рода Галапагосские Дарвиновские вьюрки, у которых форма клюва приспособлена к типу питания. Но в Карибах есть и острова, на которых ящериц нет совсем. А в 80ые ученые взяли и забросили их туда, чтобы смотреть, как они будут адаптироваться. Ящериц, которые раньше жили на высоких и толстых деревьях, заселили в кусты, и всего за десятилетие у них укоротились конечности и “утолщились” пальцы, что позволило повисать на тонких ветках при погоне за насекомыми. Эксперименты этих чуваков еще и наглядный пример конвергентной эволюции, когда разные виды в одной и той же среде независимо приобретают одинаковые черты.

А дальше веселее. Ученые решили заселить на свободный от ящериц остров уже два соревнующихся за ресурсы вида - зеленых и коричневых ящериц. В течении трех лет коричневые ящерицы начали вытеснять зеленых в кусты, где зеленым было несладко, и ученые ожидали, что рано или поздно зеленые ящерицы вымрут. Но неожиданно на острове случился сильнейший ураган Лилли, от которого обоим видам пришлось несладко, так как всех ящериц просто унесло с острова ветром. Самое время изучать адаптации ящериц к водной среде (шутка). При этом на другом острове сорвало почти все кусты, но несколько ящериц остались. У выживших особей исследователи обнаружили более толстые пальцы, длинные передние ноги и короткие задние - так удобнее держаться за ветки при ветре 200км/ч (конечности ящериц там меряли и до урагана, они были более разнообразные). То есть ураганы, будучи редкими и непредсказуемыми событиями, тоже способны направлять естественный отбор. Кстати, чтобы доказать, что длинные ноги, толстые пальцы и тп это действительно адаптации, повышающие приспособленность, ящериц тестировали в лабораторных условиях. Читайте - сажали на ветку и дули на них вентилятором, чтобы посмотреть, ящерицы с какими лапами продержаться дольше, а какие свалятся.
Наконец, я и подумать не могла, что экспериментальная экология дошла до использования роботов в экспериментах. Вот тут [1] использовали реалистичных роботов ящериц, которые “отжимались” (у ящериц это жест для отпугивания) и надували свою кожаную складку на груди. А история в том, что на остров с единственным видом ящериц случайно завезли других (инвазивный вид), и этой случайностью воспользовались ученые, чтобы проверить, как местные ящерицы будут реагировать на инвазивный вид. Для этого они сымитировали инвазивных ящериц в качестве роботов и пугали этими роботами местных ящериц. Местным это конечно не нравилось и они проявляли больше агрессии. Мораль в том, что изменение поведения - это первый признак межвидовых взаимодействий. Но главное - ящерицы-роботы.

[1] https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1365-2656.13223
Статья в Science: https://science.sciencemag.org/content/369/6503/496

Инвазивная ящерица и ее реалистичный робот!

Сны на страже зрения | Часть 1

Мы все еще достоверно не знаем, зачем конкретно нужен сон, а уж про сны и тем более ничего непонятно. Каких-то вменяемых гипотез о том, зачем нам снятся сны и зачем мы их запоминаем, нет. Сон делится на быструю и медленную фазы. Быстрая, она же фаза быстрого движения глаз, это та, где нам снятся сны. Раньше ученые думали, что она необходима для консолидации памяти (и что сны могут быть как бы быстрой прокруткой памяти), но сейчас понятно, что память закрепляется скорее в медленную фазу.

На днях появился препринт (аккуратно, это еще не рецензированная научная статья), который предлагает супер-интересную теорию под названием Теория защитной активации. Для ее понимания нужно знать, что мозг человека (и приматов в целом), считается очень пластичным. Пластичность ответственна за восстановление мозга после инсульта, или если человек слепнет, зрительная кора, которая больше не получает сигналов, начинает кодировать тактильные или звуковые сигналы (обычно слепые люди компенсируют потерю зрения улучшенным восприятием звуков, либо учат азбуку Брайля, которая развивает тактильную чувствительность). Короче говоря, в мозге свято место пусто не бывает, бездействующую кору быстро захватывают другие зоны. И некоторые статьи показывают, что происходит это очень быстро, в течении часов: если завязать человеку глаза и посадить его учить Брайля, то в его зрительной коре тактильные сигналы появятся уже через пару часов[1].

Так вот! Теория защитной активации говорит, что, поскольку в темноте сигналы в зрительную кору не поступают, то, приняв ее за бездействующую, другие зоны мозга начнут ее адаптировать “под себя”, а периодические сны (быстрая фаза сна наступает примерно каждый полтора часа) нужны, чтобы защитить зрительную кору от этого рейдерского захвата. Очень красивая теория.

А дальше в статье все плохо, потому что аргументация авторов очень слабая. Они пытаются показать корреляцию количества быстрой фазы сна с пластичностью (чем выше пластичность, тем больше надо быстрого сна, чтобы защитить зрение). Но пластичность не так-то просто померять, поэтому за ее приближенные показатели авторы берут поведенческие признаки 25 видов приматов, такие как время от рождения до самостоятельного передвижения, продолжительность грудного вскармливания и длительность младенчества. Идея тут в том, что чем пластичнее мозг, тем больше ему нужно времени, чтобы корректно сформироваться, соответственно, тем длиннее период детства. Но эти показатели не нормированы на продолжительность жизни, а корреляция получается очень хилая. Еще один аргумент - это то, что с возрастом у людей пластичность мозга снижается (в старости мозг восстанавливается хуже), и количество быстрой фазы сна тоже падает, и якобы это тоже говорит о том, что с уменьшением пластичности быстрая фаза становится не нужны. Но в самой же статье видно, что после 3х лет у людей количество быстрой фазы по отношению к общему количеству сна не меняется, а общее количество сна снижается к старости. Более того, каким образом сны должны знать, что они больше не нужны? Авторы предполагают, что зрительная кора каким-то образом сама по себе триггерит сны, когда ее начинают “захватывать”, но это предположение конечно же чисто гипотетическое.

Но потом все-таки авторы очень подробно обсуждают свою идею, и становится понятно, что они в общем не идиоты, просто хотели побыстрее опубликовать идею побыстрее. Продолжение следует ⬇

[1] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17135476/

Сны на страже зрения | Часть 2

Не смотря на то, что в своей статье авторы ничего не доказывают, а только предлагают идею, то тут много над чем можно задуматься. Когда функцией сна считалась консолидация памяти, слишком навязчиво выпирал один простой факт: некоторые антидепрессанты полностью лишают принимающих их людей фазы быстрого сна. И ничего, на воспоминания это особо не влияет! Но зрение на таких пациентах никто подробно не тестировал, хотя эксперимент может быть очень простым - набрать людей, принимающих антидепрессанты, убедиться, что у них нет фазы быстрого сна (ЭМГ или ЭЭГ), и посмотреть, сильнее ли в их зрительной коре представлены тактильные или звуковые сигналы по сравнению с контролем. Простая идея, берите пожалуйста! Правда в обсуждении авторы накосячили и тут. Они пишут, что действительно, при приеме некоторых антидепрессантов (МАО или трициклические) пациенты жалуются на размытое зрение. Я не поленилась пойти по ссылке и посмотреть статью, на которую они ссылаются. В статье проблемы со зрением упоминаются один раз - в контексте отравления, наступающего при ПЕРЕДОЗИРОВКЕ трициклическими АД [1]. Ну да, при передозировке много чем зрение размывается, и как вы могли догадаться, быстрая фаза сна тут совсем не при чем.

Несмотря на всю мою критику я считаю, что эту идею все еще было бы здорово проверять на животных, на которых можно делать эксперименты, показывающие причинно-следственную связь. Я уже как-то писала про живодерский метод под названием flowerpot, то есть цветочный горшок, для лишения крыс фазы быстрого сна. Горшок переворачивают и ставят в воду, а на маленькую поверхность помещают крысу. Надолго. Чтобы ей там захотелось спать. Крыса засыпает, спит нормально свою медленную фазы сна, а в быстрой фазе сна теряется мышечный тон и крыса бухается в воду. Вуаля, быстрая фаза сна прервана! Так вот, забирайте еще одну идею - адаптировать технику flowerpot под человека, и посмотреть, что у него там со зрением. Правда в процессе может возникнуть слишком много нежелательных расстройств психики.

Читать же обсуждение авторов реально интересно. Вот есть слоны, у которых фаза быстрого сна длится буквально несколько минут. Казалось бы, это опровергает теорию, но нет! Слоны то, оказывается, всего спят часа два в сутки, так что зрительную кору ничего захватить не успевает. А на случай ночи у слонов прекрасно развито ночное зрение, так что кора активируется и ночью. При этом звери, у которых пластичность низкая (то есть они уже рождаются со “сформированным” мозгом и сразу из утробы готовы бежать в кусты и жить самостоятельно), такие как жирафы и свиньи, спят быстрым сном гораздо меньше. Но спросить, видят ли они сны, мы у них конечно же не можем :(
А еще теория предсказывает, что в случае зрительной депривации (типа одиночного заключения или бункера) у человека начинаются галлюцинации, и они действительно начинаются, тоже, якобы, чтобы защищать зрение. То же самое может распространяться и на другие системы - слуховую, к примеру. Короче, статья одновременно и очень интересная, и годится в иллюстрации к книге “как врать с помощью статистики”, надо непременно читать!

[1] https://www.medicinejournal.co.uk/article/S1357-3039(15)00344-8/abstract
Статья: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.07.24.219089v1

Если мозги так пластичны, то почему они все еще похожи между собой?

Продолжая тему пластичности, я задумалась: если мы говорим, что мозги так пластичны, то почему тогда зрительная кора, слуховая кора и тд у всех людей (да и приматов вообщем-то) находится примерно в одном и том же месте? Все-таки в процессе развития определенные функциональные области закладываются в определенным местах, и на месте зрительной коры не может случайно вылезти моторная кора, например. Но при этом если эту кору, например зрительную, лишить зрительного опыта, то не факт, что она потом сможет нормально видеть мир вокруг. Это доказывалось серией очень неприятных экспериментов в прошлом веке, когда животных с раннего возраста лишали зрения, например. Очень любили завязывать глаза котам, и показывать, что если зрительный опыт отсутствовал в критический период (как правило раннее детство), то после него зрение уже не сформируется, как положено. Либо котов растили в среде, где вокруг них были только вертикально движущиеся полоски (в зрительной коре на движение определенного направления отвечает определенная группа нейронов), а клетки, которые бы воспринимали горизонтальное движение, не формировались.

Недавно я нашла интересный пример. У приматов и людей в зрительной системе есть особая область, которая активируется при восприятии лиц, потому что лица для приматов это информация, насыщенная смыслами, нам очень нравятся лица. Привет прозопагнозии и человеку, который перепутал жену со шляпой! В случае прозопагнозии человек утрачивает способность распознавать лица, как правило в результате травмы или инсульта. Но как мы приобретаем способность распознавать лица? Мы рождаемся с такой способностью, или чтобы распознавать лица, нам нужно видеть много лиц в детстве?

Группа Маргарет Ливингстон растила обезьян в условиях, где с самого рождения они не видели ни одного лица обезьяны или человека, лица исследователей были скрыты. Потом способность распознавать лица у этих обезьян тестировали с помощью фМРТ: показывали им в сканере лица людей и обезьян и смотрели, активируется ли область распознавания лиц. У обезьян, лишенных опыта наблюдения лиц, эта область не активировалась. То есть область как бы выделяется генетической программой под что-то, и распознавание лиц это приоритетная функция, но само распознавание лиц врожденным не является. Чтобы распознавать лица, там нужно много смотреть на лица с детства. Но самое интересное в этих экспериментах было то, что область распознавания лиц у этих обезьян активировалась при виде рук, особенно рук исследователей в перчатках. И это имеет смысл, потому что этими руками исследователи вынашивали и выкармливали обезьян, и после лица это вторая по информативности часть тела. При этом та же область активировались у обезьян и при виде их собственных рук. Похоже, что функция в итоге осталась прежней - распознавание объекта (хотя не факт, что по рукам обезьяны отличали разных исследователей), но информация при этом использовалась другая. Мозг (БЛАГОДАРЯ ПЛАСТИЧНОСТИ) умудрился втиснуть черты рук в область, которая была отведена под распознавание лиц.

Одним словом, don't mess with plastichnost`!

Статья https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28869581/

The Hard Problem of Breakfast
How does it emerge from bacon and eggs?

"Over the past century, scientists have unlocked many of the most profound secrets of bacon, eggs, oatmeal, and avocado toast, advancing our understanding of the day’s most important meal and ushering in a golden age of innovation. Yet there remains one problem that has proven frustratingly resistant to our efforts at resolution: What is often referred to as The Hard Problem of Breakfast.

The stubborn fact remains that, no matter how deeply we probe into the nature of bacon, eggs, oatmeal, and avocado toast—to say nothing of shakshuka, grits, bear claws, or dim sum—or the interactions between these fundamental building blocks and, say, orange juice or coffee and the morning paper, we simply have no convincing theory to explain how such disparate, seemingly inert components give rise to the phenomenon we subjectively experience as “breakfast.”"

Просто прекрасный пассаж из Наутилуса, который надо читать полностью

http://nautil.us/issue/88/love--sex/the-hard-problem-of-breakfast

Напоминает мне детство, когда мой старший брат брал паспорт РФ (которого у меня еще тогда не было) и выразительно читал последнюю страницу с выдержками из закона, заменяя слово "паспорт" словом "жопа". Получалось в духе:

"Гражданин обязан бережно хранить жопу. Об утрате жопы гражданин должен незамедлительно заявить в территориальный орган Министерства внутренних дел Российской Федерации.
Запрещается изъятие у гражданина жопы, кроме случаев, предусмотренных законодательством Российской Федерации"

Рада, что в мире исследований сознания шутка не утратила актуальности

Neuralink Илона Маска сегодня устраивает прямой эфир, где они обещают показать "a live tech demo of a working device". Не спрашивайте.
https://neuralink.com/
Правда если я не обсчиталась, эфир в час ночи по Москве (обсчиталась, потому что в 2 по Москве, 28 августа, 3pm PST)

Если напомнить, Илон Маск решил ворваться в нейробиологию и сделать нейроинтерфейс, который позволит загрузить мозг в компьютер. Но это типа end goal. Пока что они только показали нити-электроды, которые их специальный робот должен вшивать в мозг по принципу швейной машинки, и только на крысах и вроде как речь шла об обезьянах. Так как вылезти на рынок они пытаются через терапию нейродегенеративных заболеваний, то нити могут ещё стимулировать мозг, а не только считывать из него активность (для стимуляции глубинных структур при Паркинсонизме, например).

В твиттере можно задать вопрос разработчикам по тегу #askneuralink, их там уже засыпали вопросами про биосовместимость и стабильность, так что если они возьмутся отвечать на вопросы, это может быть самой интересной частью. Но там уже и сейчас увлекательный трэд получается

P.s. по вопросам сразу видно, кто примерно составляет аудиторию нейралинка

https://twitter.com/neuralink/status/1299159774622134272?s=19

Стимуляция мозга с помощью машинного обучения

Пока все гудят и продолжают обсуждать Илона Маска, я наткнулась на препринт, который, на мой взгляд, может сделать стимуляцию мозга более доступной и адекватной. Пока что вариантов немного: среди инвазивных техник - электрическая стимуляция и оптогенетика. Среди неинвазивных - транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Оба варианта так себе по точности. При электрической стимуляции током бьются все нейроны рядом с сайтом стимуляции, что используется для облегчения Паркинсонизма в глубокой стимуляции мозга. Оптогенетика же на приматах крайне неточная: если у крыс и мышей можно стимулировать определенные типы нейронов (возбуждающие или ингибирующие) за счет генетических манипуляций, то для приматов таких генетических трюков у нас пока нет.

Препринт предлагает новый подход к тому, как сделать стимуляцию более точной, на примере электрической стимуляции. Большинство вещей в мозге кодируется сразу большим количеством нейронов - нейронным ансамблем, что называется distributed coding. Чтобы вызвать определенное поведение или повлиять на какой-то процесс в мозге, нужно знать, какой набор нейронов стимулировать, и вот это непростая задача. Такие эксперименты были у Рафаэля Юсте: они обучали мышь лизать трубочку с водой, когда мышь видела полоски на экране. Потом находили ансамбль нейронов в зрительной коре, который стимулируется этими полосками и посылает сигнал в вышележащие отделы мозга. Затем группу этих нейронов стимулировали при помощи оптогенетики (про эту технику - голографическую стимуляцию - я расскажу отдельно, потому что она отпад башки), и мышь также лизала трубку с водой, хотя полосок на экране не было. Поведение - лизание трубки - генерировалось в обход изначального визуального стимула.

Но допустим мы уже знаем, какой ответ нейронов мы хотим получить, и надо найти паттерн электрической стимуляции, который бы этот ответ вызвал. Препринт предлагает использовать машинное обучение, подход назвали адаптивная стимуляция с обратной связью (adaptive, closed-loop stimulation, ACLS). Идея очень проста - в мозг имплантируются электроды, которые могут и стимулировать нейроны, и записывать их активность. У нас есть паттерн, который мы хотим получить - например, как сильно активируется каждый нейрон. Начинаем со случайного паттерна стимуляции (разные амплитуды тока на разных электродах), записываем активность нейронов, сравниваем паттерн с желаемым, и если они отличаются - вносим изменения в случайно выбранный паттерн стимуляции, стимулируем снова, записываем, сравниваем, и так по кругу. Это итеративный подход, который адаптивно способен подобрать нужный паттерн стимуляции. То же самое - стохастический градиентный спуск - используется в искусственных нейронных сетях. При этом при сравнении “похожести” паттернов используется тоже очень простая метрика - евклидово расстояние, хотя она может быть любой. Прелесть в том, что этот подход можно использовать для ТМС, и для получения какого-то определенного поведения, а не просто паттерна активности нейронов - он очень гибкий, потому что градиентному спуску вообще пофигу, что ему дают на вход. Например мы хотим снизить тремор при паркинсонизме. Желаемый результат - отсутствие тремора. Начинаем со случайного паттерна стимуляции, меряем тремор, корректируем паттерн, меряем тремор опять, и так сотни раз, пока не находится паттерн стимуляции, способный полностью подавить тремор. Конечно так пока с людьми никому делать не разрешат.

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.14.992198v1

Исследование мозга космонавтов. По ранним данным полагали, что невесомость, космическая радиация или какая-то неведомая сила вызывает нейродегенерацию. По новым результатам, изменения в головном мозге обратимы, так что одной причиной бояться космоса теперь меньше, наверное.

Непозволительно кратко: космонавтов было 13; исследовали до и после шестимесячного пребывания на околоземной орбите, а также спустя несколько месяцев после возвращения на землю. Диффузионная МРТ после прилёта показала увеличение мозговых желудочков и снижение объема некоторых участков коры (в окрестностях сильвиевой борозды). Но мозг пришел в норму после того, как космонавты несколько месяцев бродили по родной планете под приятным и тоже родным действием гравитации.

Также обнаружили увеличение сенсомоторных участков коры – вероятно, адаптация моторики под невесомость.

https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eaaz9488

Neuralink #1

Все конечно уже давно обсудили Нейралинк, но тут у меня появилось, что сказать, так что лучше поздно, чем никогда. У меня брали комментарий про Нейралинк, а сюда я закидываю свои ответы целиком

Чем чип Маска принципиально отличается от остальных разработок в этой области?

Важнее всего осознавать, что ничего принципиально нового, ранее неизвестного ученым, Нейралинк не показал. Все разработки относятся скорее к улучшению текущих технологий и доведения их до предела функциональности за счет вливания большого количества денег. У ученых уже есть Нейропиксели (Neuropixels) - силиконовые электроды с почти 400 каналами, которые сейчас используются на мелких животных. Преимущества “нитей” Нейралинка по сравнению с ними в том, что они гибкие, что потенциально делает их более долгоживущими и менее травматичными для мозга. Что касается самого чипа, то у тех же Нейропикселей фильтрация, амплификация и оцифровывание сигнала тоже происходит на чипе, а Нейралинк добавил на чип еще и детектирование спайков (потенциалов действия) “онлайн” - то, что мы видели, когда свинья нюхала что-то. Инженеры Нейралинка отмечают, что на их чипе происходит чуть более сложное обнаружение спайков. Грубо говоря, спайк - это скачок величины напряжения, генерируемый нейроном. В непрерывном сигнале его проще всего обнаружить, просто задав определенный порог напряжения, и все, что этот порог пересекает, считать спайком. На чипе Нейралинка спайки детектируются по их характерной форме, что чуть более затратно с точки зрения вычислительных ресурсов, но тоже далеко не ‘rocket science’ (обычно в научных экспериментах это делается “оффлайн”, то есть когда сигнал уже записан и передан на компьютер). При этом “декодинг” сигнала, то есть расшифровка того, что означает активность нейронов, пока также осуществляется не на чипе, а на компьютере (это пример с предсказанием движений свиньи на беговой дорожке).
Многие ученые сходятся в том, что самой интересной разработкой оказался робот для автоматического “вшивания” нитей в мозг, который делает это быстро и точно, обходя пульсирующие сосуды на поверхности мозга. Но других технических подробностей, по которым можно судить о действительных прорывах Нейралинка, пока никто не видел.

Neuralink #2

Читал, что одна из проблем, стоящих на пути всеобщей нейрочипизации — проблема биосовместимости. Когда чужеродный элемент попадает в мозг, он пытается от него отгородиться. В результате качество сигнала сильно ухудшается. Может разработка Маска как-то решить эту проблему? Какие вообще могут быть способы ее решения?

Это действительно одна из главных проблем инвазивных нейроинтерфейсов, и это признает сам Илан Маск. По презентации можно заключить, что Нейралинк пока не знает, что с этим делать. У этой проблемы есть два аспекта: во-первых, мозг воспринимает имплант как инородный предмет и пытается окружить его фиброзной капсулой - это не очень хорошо как и для самой нервной ткани, потому что образуется что-то типа рубца, так и для импланта, потому что теряется качество сигнала. Абсолютно инертных материалов, на которые мозг не будет реагировать совсем, пока нет. Частичным решением первой проблемы как раз является гибкость электродов, так как она снижает повреждение мозга. Во-вторых, мозг это довольно агрессивная, окислительная среда, в которой у электродов постепенно увеличивается импеданс, и сигнал становится все менее уловимым. Необходим поверхностный материал для покрытия электродов, который будет одновременно и изолировать электрод от мозга, и хорошо проводить электрический сигнал, при этом оставаясь тонким и гибким. Илон Маск упомянул карбид кремния, но опять же, уже сейчас большинство электродов, используемых в нейронауке, имеют кремниевое покрытие (нитрид или диоксид кремния), так что опять речи о прорыве не идет.
Нейралинк хочет, чтобы нейроимплант работал десятилетиями. Пока что им удалось получить стабильный сигнал из мозга свиньи на протяжении двух месяцев, в то время как в научных исследованиях некоторые импланты уже стабильно работают до года.

Эксперты пишут, что большинство обещаний Маска «невыполнимо в принципе». Например, обещание проигрывать музыку прямо в мозг посредством Neuralink. Это действительно невозможно? Почему?

Тут мне не хочется быть таким уж скептиком, потому что никаких фундаментальных ограничений на проигрывание музыки прямо в мозг кажется нет. Ученые обычно говорят, что это невозможно, потому что мы пока слишком мало знаем о том, как работает мозг, и у нас нет вычислительных ресурсов, способных охватить всю сложность мозга, чтобы это понять. Что касается Нейралинка, то пока им явно не хватает пропускной способности, чтобы стимулировать что-то настолько сложно устроенное, как музыка. Посудите сами: в кубическом миллиметре коры человека умещается около миллиона нейронов, а пока что Нейралинк показал электроды с тысячей каналов.
На презентации Маску задавали вопрос, можно ли будет с помощью импланта призвать Теслу. На самом деле это возможно даже с текущими нейроимплантами, так как эта задача не сложнее перемещения курсора на экране. Плюс же технологий вроде Нейралинка в том, что они сами по себе помогут нам узнать о мозге больше.

Какие еще преграды стоят перед Neuralink?

Я думаю, одна из самых сложных задач - это получить разрешение на испытания технологии на людях. Маск вскользь упомянул, что Нейралинк плотно сотрудничает с FDA, но все еще ничего непонятно. Если же предположить, что все заработало и сигналы из мозга передаются в телефон, и что-то еще стимулируется, то безопасность, приватность и защита данных будут следующей большой проблемой, так как пока что никаких ни этических, ни законодательных инициатив на эту тему не существует.