Мы потихоньку расшифровываем код мозга — и попутно находим ответы на самые странные вопросы, например, «какова скорость мысли?», рассказывает корреспондент BBC Future.

Когда специалиста в области когнитивных наук Стивена Пинкера в шутку попросили в пяти словах объяснить, как работает мозг, он без колебаний ответил: «Существуют паттерны возбуждения клеток мозга». Формулировка изящная, но непонятная.

Уже давно известно, что клетки мозга взаимодействуют друг с другом, обмениваясь электрическими сигналами. Сегодня существует множество технологий, позволяющих фиксировать паттерны, в соответствии с которыми они функционируют, — от вживления электродов в мозг или фиксации их на поверхности кожи головы до функциональной магнитно-резонансной томографии, с помощью которой можно выявлять изменения в степени насыщения крови кислородом. Собрать данные несложно, но они все равно не помогают разгадать смысл этих паттернов, которые словно танцуют под неслышную музыку, подчиняясь не известным нам правилам.

Нейробиологи ищут ответы в нейронном коде и уже добились некоторых успехов в его расшифровке, пытаясь вывести некоторые простые правила — например, как поставленная задача влияет на время возбуждения клеток в определенных участках мозга. Дело идет небыстро, но в последнее десятилетие различные группы ученых по всему миру задались гораздо более амбициозной целью. Они осознали, что, хотя людям, скорее всего, никогда не удастся составить полный справочник нейронных кодов, можно попытаться самим написать кодированные сообщения и с их помощью установить соответствие между различными паттернами и действиями.

Американские ученые Альберт Ли и Мэтью Уилсон из Массачусетского технологического университета первыми сформулировали эти принципы в 2002 году. Теперь технология выглядит следующим образом. Сначала фиксируем сигналы мозга крысы — одной из наших ближайших родственниц на древе жизни, — пока она бежит по лабиринту.

Чем опытней лондонский таксист, тем больше у него определенные части мозга

Изучать мозг целиком было бы слишком сложной задачей, поэтому можно пока сосредоточиться на одном участке, который называется гиппокамп и отвечает за ориентирование на местности и память. Возможно, вам уже приходилось слышать о гиппокампе в связи со знаменитым исследованием, проведенным среди водителей лондонских такси — они проводят много времени за рулем, пытаясь сориентироваться на улицах постоянно разрастающегося города, и в результате этот участок мозга у них заметно увеличивается в размерах.

Пока крыса бежит по лабиринту, мы фиксируем ее местонахождение и одновременно наблюдаем за тем, как возбуждаются клетки гиппокампа. Затем на основе полученных паттернов выводится математический алгоритм, с помощью которого можно определить, какой паттерн больше всего соответствует каждому из участков лабиринта (язык клеток ничуть не проще человеческого, но теперь у нас есть ключ к этому шифру!). Для того чтобы протестировать алгоритм, вводим в него новые паттерны и проверяем, правильно ли определяется местонахождение крысы в момент регистрации того или иного паттерна.

Этот метод не позволяет нам полностью расшифровать код — мы еще не знаем всех правил и не можем с его помощью анализировать паттерны, полученные в другом участке мозга или не связанные с прохождением лабиринта, — но, тем не менее, это очень полезный инструмент. К примеру, благодаря ему, ученым удалось показать, что точно такая же последовательность возбуждения клеток повторялась в мозге крысы во время сна после пробега по лабиринту (что особенно важно, во сне до лабиринта эта последовательность не встречалась).

Поразительным образом во время сна эта последовательность повторялась примерно в 20 раз быстрее! Значит, во сне крыса могла пробежать по лабиринту за малую толику того времени, которое это испытание заняло у нее в действительности.

Когда крыса засыпает, она раз за разом проигрывает в мозгу путь через лабиринт

Эти наблюдения можно соотнести с мнемонической функцией сна — повторное воспроизведение во сне событий дня могло помочь крысе консолидировать память. А тот факт, что воспроизведение шло в ускоренном режиме, приоткрывает завесу над природой внезапных озарений или ощущений, будто «вся жизнь пронеслась перед глазами», — ничем не сдерживаемая мысль действительно может пробегать по знакомым тропам как бы в режиме перемотки.

Дальнейшие исследования показали, что паттерны прохождения лабиринта могут проигрываться не только вперед, но и назад, то есть крыса может представлять себе цель — например, выход из лабиринта — и мысленно возвращаться от нее обратно к той точке, в которой она находится.

Одной из сфер применения подобных методов, основанных на узкоспециализированных системах измерения и сложных алгоритмах, является расшифровка мозговой деятельности пациентов, страдающих синдромом «запертого человека» или находящихся в вегетативном состоянии. Они не в состоянии управлять мышцами своего тела, но при этом могут находиться в сознании и слышать разговоры людей, которые присутствуют в том же помещении.

Сначала врач просит пациента представить себе действия, за которые отвечают определенные изученные участки мозга, такие как гиппокамп. Затем полученные данные расшифровываются, чтобы понять, какая мозговая деятельность соответствует определенным понятиям.

В ходе последующего сканирования мозга пациент может снова представлять себе эти действия в ответ на простые вопросы. К примеру, ему можно предложить представлять себе игру в теннис, чтобы ответить «да», или ходьбу по дому, чтобы сказать «нет», — и это будет первая возможность наладить коммуникацию с человеком с тех пор, как он впал в неподвижность.

Существуют и другие способы применения этого метода как в теории — для исследования умственной деятельности, так и на практике — например, для связи мозга с компьютером. Если в будущем человеку, страдающему параличом, потребуется управлять рукой робота или даже контролировать другого человека с помощью своего мозга, он будет использовать те же самые методы расшифровки информации и переложения ее в действия. Ученые доказали, что эти принципы работают — и потенциал их применения поистине колоссален.