Интересные новости и факты (психология, нейрофизиология)

[ArefievPV]

Старые воспоминания помогли улиткам лучше запомнить новый опыт
https://nplus1.ru/news/2023/03/27/snail-memory
Запоминание сильных пищевых стимулов сделало улиток более восприимчивыми к новым – более слабым

Зоологи выяснили, что после запоминания сильных пищевых стимулов улитки-прудовики лучше запоминают и новые, более слабые, стимулы. Оказалось, это возможно благодаря растущей чувствительности к пищевым стимулам в целом. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Воспоминания принято делить на краткосрочные — те, что сохраняются до нескольких часов, и долгосрочные — те, что можно восстановить и по прошествии более продолжительного времени. Процесс перевода событий из одной категории в другую довольно сложный и энергозатратный, поэтому эволюционно выгоднее было бы подвергать ему только самый важный и релевантный опыт. Именно поэтому можно ожидать, что существует механизм, который помогает животным отличать такой опыт и эффективно его запоминать.

С этой задачей сталкиваются даже улитки — например, прудовики. Они, как и млекопитающие, способны обучаться и запоминать информацию, но их нервная система содержит в сотни тысяч раз меньше клеток, что делает их удобным модельным организмом. Кроме того, они очень быстро учатся — если всего один раз предъявить улитке незнакомое нейтральное вещество в смеси с пищей, та запомнит его и будет ассоциировать с кормлением.

Ученые из Университета Сассекса под руководством Майкла Кроссли (Michael Crossley) предположили, что на вероятность сохранения события в долгосрочной памяти улиток влияет предыдущий опыт. Чтобы проверить эту гипотезу, они провели два этапа обучения животных. Во время первого тем давали смесь из сахарного сиропа большой концентрации вместе с нейтральным веществом — амилацетатом. Таким образом, улитка училась воспринимать амилацетат как пищу и реагировать соответствующими движениями рта (радулы). Так, информация об амилацетате переходила в долгосрочную память.

Другой тип обучения — слабый — включал смесь сиропа меньшей концентрации с другим нейтральным веществом (гамма-ноналактоном). Из-за недостаточного количества пищи в смеси второй этап сам по себе не был эффективным – улитка не ассоциировала гамма-ноналактон с питанием. Но все изменилось, когда за четыре часа до него улиткам провели первый (сильный) этап. Несмотря на то, что животные все также сталкивались с гамма-ноналактоном в течение второго этапа впервые, они смогли эффективно его запомнить и ассоциировать с пищей на уровне долгосрочной памяти (p < 0,05).

Ученые сделали вывод, что предыдущий опыт ассоциативного запоминания усиливает последующее обучение и помогает выделять значимые события для перевода в долгосрочную память. Интересно, что в этом процессе моллюски стали более восприимчивыми к слабым стимулам — чаще реагировали на них глотательными движениями (p < 0,05). То есть предыдущий опыт обучения повлиял на животных уже на уровне восприятия.

Биологи также исследовали активность нейронов мозга во время запоминания. Оказалось, этот процесс контролируется в мозге улиток параллельными изменениями нейронной активности — одни из них затрагивают нейронные цепи, связанные с памятью, а другие — с восприятием пищевых стимулов.

Процессы, связанные с памятью изучают не только на улитках, но и на мышах. Так, например, недавно удалось показать, как рабочая память восстанавливается у старых животных — в этом помогла активация нейронов переднего таламуса. Кроме того, на мышах исследовали, как на память и обучение влияет ЛСД.

P.S. В названии заметки слово помогли немного затемняет суть. Все эти контекстно-зависимые оценки (помогли, помешали) в данном случае только мешают.

А суть в том, что уже имеющиеся знания (старые воспоминания) повлияли на восприятие новых знаний. Это к вопросам о предвзятости и об объективности.

[ArefievPV]

Статья не о сути сознания, а о возможных конкретных реализациях сознания (реализациях механизма сознания). Судя по всему, опять идёт смешивание сути сознания и механизма реализации этой сути.

Суть сознания проста и лежит «на поверхности», а вот механизмы реализации (конкретные конструкты, конкретные процессы, конкретная архитектура и пр.) этой сути весьма сложны и могут существенно различаться на разных уровнях. В статье рассуждают о реализации сути сознания на самых фундаментальных уровнях.

Повторю свой комплект определений, связанных с понятием сознание:

Суть сознания – это условие «со знанием».
Суть механизма сознания – это реализация данного условия «со знанием».
Суть реализации – это процесс осознания (то есть, сравнение/сопоставление со знанием).
Суть состояния в сознании – это наличие процесса осознания.

Вот тут немного скучковал высказывания о сознании:
https://paleoforum.ru/index.php/topic,8969.msg265314.html#msg265314

Итак, сама статья:

Сознание в пространственно-временном континууме
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436713/Soznanie_v_prostranstvenno_vremennom_kontinuume

На основе спутанных квантовых состояний человек создал защищенную от злоумышленников связь и надеется заполучить квантовый компьютер, возможности которого сопоставимы, а то и превосходят возможности человеческого мозга. А что, если само человеческое сознание есть результат работы квантового компьютера, спрятанного в мозгу?

Несчетное сознание

Ну какой квантовый компьютер может быть в столь агрессивной среде, как человеческий мозг, возмутится просвещенный читатель. Ведь кубит (единица информации в квантовых вычислениях) — это такой субтильный объект, чихнешь рядом с ним, он и потеряет всякую квантовую когерентность. Для работы кубитов требуются чистота, инертность и неподвижность содержащей их среды, сверхнизкие температуры. А тут все растворяющая вода, все трясется от дыхания, от пульсирующей крови, мириады химических реакций идут одновременно. Невозможно представить себе, чтобы квантовые объекты хоть доли миллисекунды сохраняли какую-то память о своих состояниях.

Однако не будем торопиться с выводами, смелым мыслителям есть что ответить на это недоумение.

Строго говоря, ни медики, ни биологи не могут внятно ответить, что такое сознание. В лучшем случае они скажут, что это результат работы нейронов мозга, передающих нервное возбуждение от одного к другому. Философы более радикальны и доходят в своих рассуждениях до того, что сознание вообще выходит за рамки материальной реальности. Возьмем, к примеру, единственного в настоящий момент универсального гения человечества — Роджера Пенроуза, лауреата Нобелевской премии по физике 2020 года за одно из его частных исследований. В своих статьях и книгах он много рассуждает о квантовом сознании. В кратком пересказе его построения могут выглядеть так.

Согласно теореме Гёделя о неполноте, в любой системе знания всегда можно найти исходные положения, которые невозможно доказать. Это аксиомы; они опираются исключительно на веру. Человек, однако, воспринимает такую веру как данность и нисколько не сомневается в справедливости аксиом. Откуда он знает, что они справедливы? По мнению Пенроуза, нет никакой возможности вычислить истоки такого убеждения, а это имеет следствие: значит, и все человеческое сознание невозможно высчитать, оно принципиально несчетно. А где в физике появляются объекты, поведение которых нельзя рассчитать в принципе? Да в квантовой механике. Как это можно себе представить? В мозгу существуют суперпозиции квантовых состояний, которые под действием гравитационного поля постоянно редуцируются, то есть выбирают одно из многих вероятностных состояний (вспоминаем кота Шрёдингера, только изучение его ситуации проводит не наблюдатель, а само гравитационное поле, искажения пространства-времени объектом, обладающим массой).

При каждой такой редукции, согласно многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной Хью Эвереттом, формируется новая реальность, то есть, как считает Пенроуз, новое пространство-время, и, значит, сознание не только имеет квантовую природу, но и не принадлежит действующей реальности. Фактически получается, что благодаря квантовым механизмам существует отдельная ментальная реальность, вложенная в реальность физическую, — говорит гений и удаляется из аудитории, отряхивая мел с пальцев. Ну коль скоро мы не гении, нам приходится верить в его слова как в аксиому, предполагая, что гению виднее.

Из фундамента мироздания

От такой модели Пенроуза у понимающего человека волосы должны зашевелиться на голове, поскольку она представляет собой не что иное, как снятие физического запрета на разного род оккультные и экстрасенсорные практики. В самом деле, если сознание представляет собой не результат физиологических процессов мозга, а отдельную реальность со своим пространством-временем, значит, согласно методам теоретической физики, остается только создать оператор, который обеспечит взаимные преобразования ментального и физического пространств-времен и с помощью такого оператора ментальная реальность станет напрямую влиять на реальность физическую. Кто-то скажет, что такой оператор работает уж миллион лет — это умелые руки представителей рода Homo, которые воплощают всякие придуманные вещи. Однако речь не об этом, не об использовании посредников в виде человеческого тела.

Интересно, что и без всяких операторов умственная игра Пенроуза сразу приводит к астрологическим практикам. Как? А вот так. Гравитационное взаимодействие возникает из-за искажения пространства-времени массивным телом. На Земле главный вклад вносит масса Земли. Однако свои постоянно меняющиеся искажения вносят и другие тела Солнечной системы, находящиеся в вечном сложном движении относительно нашей планеты. Тогда выбор квантовых состояний, определяющих в модели Пенроуза процесс сознания, станет зависимым от расположения небесных тел на небосклоне. Впрочем, не станем углубляться в эту опасную тему, а займемся более простым делом: посмотрим, как исследователи пытаются найти физическую основу упомянутых Пенроузом квантовых состояний в мозгу.

Первопроходцами на этом тернистом пути оказались Ху Хупин и Ву Маосинь (Huping Hu, Maoxin Wu). Первый, судя по всему, частный исследователь из Биофизической консультационной группы, квартировавшей в частном доме в Стони-Бруке, по соседству со знаменитым американским университетом, а второй работал в Отделении патологии не менее знаменитой нью-йоркской Медицинской школы горы Синай. В 2004 году они опубликовали свою первую статью в журнале Medical Hypotheses.

Не будем приводить всю цепочку рассуждений, сразу перейдем к выводу: носителем квантовых свойств в мозгу может быть только спин атомного ядра и ничто иное. После этого утверждения Ху и Ву важно сделать еще одно лирическое отступление. Дело в том, что школьное объяснение спина как «направление вращения элементарной частицы вокруг своей оси» не имеет ничего общего с физической сущностью этого абсолютно квантового свойства. Если подходить строго, то в физической реальности про спин известно лишь то, что он может принимать ряд целых и полуцелых значений со знаком плюс и минус. Вот как определяют спин на кафедре общей ядерной физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова: собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с ее перемещением в пространстве как целого. Спин отвечает неотъемлемому и неизменному внутреннему вращательному состоянию, присущему частице, хотя это вращательное состояние нельзя трактовать классически — как вращение тела вокруг собственной оси.

Корректно объяснить, как это понимать и откуда берется вращательное движение которое не есть вращение вокруг своей оси, невозможно. Однако в некоторых современных теориях физики есть мнение, что спин — это не просто одно из многих квантовых свойств материи, а нечто большее — еще более фундаментальная сущность мироздания, чем само пространство-время. Более того, не исключено, что само пространство-время представляет собой проявление спина, оказывается спиновой пеной. Тогда, если сознание есть порождение спина, то оно оказывается напрямую укорененным в самом фундаменте нашего мира.

Спины Ху и Ву

Однако вернемся к той части физической реальности, которая более-менее дана нам в ощущениях. В ней человеческий организм состоит из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и в меньшей степени фосфора, серы, кальция, натрия, калия и хлора. Все остальные элементы представлены в нем ничтожными добавками, отвлекаться на которые имеет смысл, лишь разобравшись с основной десяткой элементов и посчитав их спины. Вот список стабильных изотопов этих элементов: ¹Н, ¹²С и ¹³С (1%), ¹⁶О, ¹⁴N, ²³Na, ³¹P, ³²S и ³⁴S (4%), ³⁵Cl (76%) и ³⁷Cl (24%), ³⁹К, ⁴⁰Са и ⁴⁴Са (2%). На что надо смотреть в этом списке? На четность числа нуклонов: четные ядра имеют спин равный 0, кроме как у азота, у которого он равен 1. С нечетными тоже не все одинаково: только у водорода-1, фосфора-31 и углерода-13 он равен 1/2, а у остальных 3/2. Это важно.

Дело в том, что у ядер со спином 1/2, и только у них, имеется лишь магнитный момент и нет электрического. То есть чтобы провести какую-то манипуляцию с таким спином, нужно приложить магнитное поле, а сильные магнитные поля в организме редки. Это значит, что состояния у таких атомов живут долго. А у ядер со спином больше 1/2 имеется еще и квадрупольный электрический момент. Как следствие, на такой ядро непрерывно действует постоянно меняющееся вокруг него электрическое окружение, и состояние живет очень недолго, мельчайшие доли секунды.

Поэтому если думать о спинах как основе квантового сознания, то, кроме водорода-1 и фосфора-31, никаких иных атомов в человеческом организме и, соответственно, в его мозгу в сколько-нибудь значимом количестве нет. Случайно появляющийся в клетках углерод-13 учитывать явно не стоит, он, если что и делает, так вносит ошибки.

Сознание на водороде

Основываясь на спинах водорода и фосфора, Ху и Ву построили первую модель квантового сознания. Согласно введенным ими постулатам, в мозгу имеются пиксели сознания; в них осуществляется квантовая запутанность спинов водорода и фосфора. Такими пикселями служат участки мембран нейронов, ведь эти мембраны состоят из фосфолипидов: в каждом из них есть закономерно расположенные один атом фосфора и несколько десятков атомов водорода.

Почему спины перечисленных ядер должны образовать спутанное состояние, Ху и Ву не сообщают, но в принципе системы даже из миллиардов атомов, в которых спины были бы спутанны, физикам известны. Стало быть, если спутанность в участке мембраны нейрона возникнет, в этом не будет ничего удивительного. А единичный акт сознания, по мнению Ху и Ву, случится при разрушении этой спутанности, для чего требуется изменить спин хотя бы одного атома пикселя. Как это сделать? Нужно, чтобы рядом с ним оказалась парамагнитная молекула. И выбор тут опять невелик: молекулярный кислород и оксид азота; лишь эти двое обладают магнетизмом и в большом количестве путешествуют по мозгу. Их магнитные моменты велики: у кислорода он в 1316 раз, а у оксида азота в 658 раз больше, чем у атома водорода.

Быстро перемещаясь по мембране, сталкиваясь с ее структурами, эти молекулы создают мощные флуктуирующие магнитные поля, которые меняют квантовые состояния пикселей сознания. Как наличие спутанного спинового состояния внутри такого пикселя, так и его распад в силу законов спиновой химии могут влиять на протекание химических реакций в нейроне: какие-то из них могут быть запрещены, а какие-то, наоборот, разрешены при разных состояниях пикселя сознания.

Кроме того, эти состояния сказываются и на картине колебаний мембран нейронов. Например — распад пикселя, подобно камню, брошенному в воду, неизбежно порождает колебания. А это в конце концов влияет на работу нейронной машины, которая формирует потенциал действия и прохождение нервного импульса. Что все и видят на выходе, когда человек совершает разумные действия. Если не вдаваться в детали, по Ху и Ву, выходит, что действие стало следствием разрушения квантового пикселя сознания молекулой кислорода или оксида азота.

[ArefievPV]

Продолжение.

Влияние светил?

А что там было про механизм Пенроуза и встроенность сознания в саму структуру пространства-времени? Ситуация забавная. Согласно базовой идее, внешнее по отношению к системе поле, например гравитационное, как будто постоянно измеряет квантовое состояние спиновой системы. И тут срабатывает апория Зенона о стреле: летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она занимает равное себе положение, то есть покоится; поскольку она покоится в каждый момент времени, то она покоится во все моменты времени, то есть не существует момента времени, в котором стрела совершает движение.

В квантовой интерпретации этот парадокс формулируется так: время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы прямо зависит от частоты событий измерения ее состояния; в предельном случае частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не перейдет в другое состояние. Этот парадокс доказан экспериментально: например, если попытаться перевести атом в другое состояние с помощью радиоизлучения и одновременно измерять его состояние ультрафиолетовым лучом, то переход провести гораздо труднее, чем без луча.

Стало быть, если гравитационное поле, как предполагает Пенроуз, измеряет состояния спиновой системы, то оно способствует стабилизации этой системы. Ну а уж если система распадется, то поле определит, на какие состояния она распадется и, значит, из каких состояний будет создан пиксель сознания в следующем акте. От этого состояния будет потом зависеть и воздействие пикселя сознания на мембрану нейрона. Вот так легко удается связать с локальной геометрией пространства-времени и квантовое состояние сознания, и потенциал действия нейрона. То есть поведение человека.

Интересно, что, если вообразить, будто такие «измерения» может проводить не только гравитационное поле, но и магнитное, на работе этой квантовой машины скажется поведение по меньшей мере двух тел Солнечной системы: Луны и Солнца, которые постоянно изменяют геомагнитное поле Земли, вызывают его длинноволновые колебания. Ну да про воздействие этих небесных тел на психику человека известно: это и сомнамбулизм, бессознательное гуляние по ночам, которое случается чаще всего в полнолуние, и подмеченная А.Л. Чижевским зависимость поведения больших масс людей от событий на Светиле.

Спиновая анестезия и другие доказательства

Как видно, модель Ху и Ву при всей своей экстравагантности, весьма умозрительна, хотя и не противоречит принципам физики и химии. Авторы видят этот недостаток и пытаются как-то исправить, найти доказательства своей правоты в различных наблюдениях. По их мнению, модель отлично объясняет явление анестезии.
В самом деле, у физиологов есть два объяснения, которые ничего не объясняют, хотя и дают направление поиска новых средств анестезии. Так, липидная теория предполагает: анестетик растворяется в клеточных мембранах, нарушает работу расположенных в них ионных каналов и рецепторов, которые участвуют в работе мозга. Белковая теория утверждает: анестетик непосредственно взаимодействует с мембранными белками, то есть теми же ионными каналами и рецепторами. Выходит, что анестетик в обеих теориях серьезно поражает всю работу мозга. Почему это отключает только сознание и только его, оставляя все другие управляемые мозгом системы организма в рабочем состоянии, остается неясно.

Модель Ху и Ву дает иное объяснение. Анестетик, растворяясь в мембране, мешает движению по ней кислорода и оксида азота. Соответственно, спутанность квантовых состояний в пикселях сознания прекращает разрушаться. А коль скоро акт сознания происходит при ее разрушении, значит, сознание у человека не работает, но не работает только оно; вся физиология, что подчиняется классической механике, работать продолжает. Аналогичный эффект приводит к потере сознания летчиками при внезапной разгерметизации кабины самолета: при этом резко падает содержание кислорода в крови, однако это не может мгновенно прервать жизненные процессы. Нарушить же квантовую механику сознания — вполне.

Конечно, такое объяснение можно принять на веру, можно от него отмахнуться, однако истинный ученый никогда не откажется от шанса заглянуть в бездну неведомого. Например, в 2018 году большая группа китайских специалистов из четырех научных организаций Ухани во главе с доктором медицины и философии Чжаном Шихаем (Shihai Zhang) из Отделения анестезии Объединенного госпиталя решили посмотреть: а влияет ли каким-то образом спин на действие анестетика? Идеальным анестетиком такого рода служит ксенон: у него есть четыре стабильных изотопа: ксенон-129 со спином 1/2, ксенон-131 со спином 3/2, ксенон-132 и ксенон-134 с нулевым спином.

Опыты ставили на мышах и по известной методике определяли, при какой дозе животное теряет сознание. Так вот, оказалось, что ксеноны с полуцелыми спинами, то есть обладающие магнитным моментом ксенон-129 и -131 действуют хуже всего: для отключения мыши первого требовалось в два раза больше, чем ксенона со спином 0. Ксенон-131 со спином 3/2 был несколько успешнее, но чуть-чуть, на 6%. Поскольку химические свойства всех этих изотопов одинаковы, эффект приходится списывать на физические. Это либо какие-то чудеса со спиновой химией (что странно, ведь инертный газ не вступает в химические реакции, а спин может запретить или разрешить именно химическую реакцию, приводящую к объединение разных атомов в одну молекулу), либо — на квантовые эффекты. Если работают такие эффекты, видимо, ксенон с полуцелым спином не только препятствует движению кислорода и оксида азота по мембране нейрона, как это делает любой ксенон, но и сам вместо них неплохо разрушают квантовую спутанность в пикселях сознания, как это нужно для задержки анестезии по модели Ху и Ву.

Свежее исследование провели и опубликовали в 2022 году Христиан Керскенс и Давид Перец (Christian Matthias Kerskens, David López Pérez) из Дублинского университета. Они не стали выдвигать гипотез о сути квантовой машины сознания, а использовали постулат о том, что если есть две известные квантовые системы, то некая неизвестная квантовая система, провзаимодействовав с ними, может обеспечить создание спутанного состояния. По их мнению, известными системами служат молекулы воды, точнее, имеющиеся в них атомы водорода со своими полуцелыми спинами, а неизвестной системой — какой-то процесс в мозгу. Согласно постулату, если эта неизвестная система классическая — никакой квантовой корреляции спинов водорода не будет, только классическая из-за дипольных взаимодействий. А если в мозгу имеется квантовая система, то она обеспечит чисто квантовую корреляцию спинов водорода. Узнать что-то об этих спинах можно методом ядерного магнитного резонанса, благо соответствующие установки используют в здравоохранении, то есть ставить опыты с участием людей нетрудно.

Дублинские исследователи, как они считают, подобрали такие условия работы установки ЯМР, которые подавили все сигналы, связанные с классическими корреляциями спинов водорода, и, значит, сигнал возможен только от квантовых эффектов. И такой сигнал им удалось зафиксировать! То есть удалось встать на след какого-то квантового процесса в мозгу.

Интересным оказалось поведение сигнала при задержке дыхания и во сне. В первом случае сигнал резко возрастал. А из модели Ху и Ву мы знаем, что кислород разрушает пиксели сознания. Это логично: кислорода при задержке дыхания становится мало, значит, сохраняется больше областей квантовой корреляции, они и проявляют себя сильнее как квантовый посредник формирования спутанных состояний водорода в окружающей воде. А вот во сне интенсивность, напротив, снижается, что странно, поскольку означает: пиксели сознания разрушаются в большем количестве. Казалось бы, так должно быть при бодрствовании, однако выходит, что во сне сознание человека работает интенсивнее. Ну если принять модель Ху и Ву и ее объяснение из опыта Керскенса и Переца.

Сами авторы осторожничают и пишут, что, мол, конечно, очень похоже, что мы нашли следы квантовой корреляции спинов, которую вызвал какой-то чисто квантовый процесс сознания, однако нужно бы убедиться. В любом случае найдены неизвестные сигналы ЯМР, которые надо изучать и, возможно, использовать для науки и для здравоохранения.

Квантовый компьютер Фишера

В модели Ху и Ву квантовая спутанность спиновых состояний обеспечивается как-то сама собой и, в сущности, в работе сознания не учитывается: пиксели сознания выглядят как обособленные сущности, и вся спутанность есть в пределах самого пикселя. Однако главное следствие спутанности — возможность квантовой телепортации, мгновенное одновременное изменение состояния всех спутанных объектов, разделенных каким угодно расстоянием. Именно телепортация состояний нужна, чтобы в рамках квантовой модели объяснять как непревзойденное быстродействие, так и колоссальную мощь человеческого сознания, если мерить их относительно таких же качеств классического компьютера. Оказывается, исправить этот недостаток можно, и такую возможность рассмотрел в 2015 году Мэтью Фишер (Matthew P. A. Fisher ) с физфака Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

В качестве способного к телепортации кубита он взял так называемую молекулу Познера, Ca₉(PO₄)₆. В ней 8 атомов кальция распложены в углах куба, один — посередине, и шесть остатков фосфорной кислоты лежат на гранях. Эту молекулу в 1975 году исследователи из Корнеллского университета Аарон Познер и Фостер Беттс (Aaron S. Posner, Foster Betts) разглядели в составе слагающего кости гидроксиапатита, а потом предположили, что именно из таких образований, свободно плавающих в крови и межклеточном матриксе, организм строит твердые конструкции.

По мнению Фишера, этим функции молекул Познера не ограничиваются. Помимо материала для строительства костей, они могут выступать средством транспортировки кальция и фосфора к месту использования в нейронах. И это важно. Ведь кальций дает сигнал на выработку нейромедиаторов, ну а без фосфора нельзя собрать молекулу, переносящую энергию внутри клетки — АТФ.

Квантовый компьютер мозга, по Фишеру, работает так. В молекуле Познера лишь фосфор обладает полуцелым спином, то есть только он способен долго сохранять свое квантовое состояние. Квантовая спутанность атомов фосфора возникает, когда фермент пирофосфатаза разделяет остаток от молекулы пирофосфата, Р₂О₇⁴⁻, на два остатка фосфорной кислоты РО₄²⁻. В силу законов квантовой химии спиновые состояния атомов фосфора в этих двух остатка зависят друг от друга. То есть они оказываются спутанными. Останься эти остатки на свободе, спутанность продержалась бы не более десяти миллисекунд. Однако если они войдут в состав молекулы Познера, ситуация качественно изменится. Квантово-механический расчет показывает, что в ней состояния практически консервируются: время жизни исчисляется сутками! Причина такой стабильности — в упомянутом строении молекулы, которое оказалось уникальным.

В игре участвует два спутанных фосфора, которые могут войти не в одну молекулу, а в две. Тогда уже обе они окажутся спутанными. То есть изменение состояния одной неизбежно и моментально вызовет изменение состояния другой. Самое простое последствие: растворение одной молекулы вызывает растворение второй и одновременное высвобождение из них ионов кальция в двух разных нейронах. А дальше все просто: приток лишнего кальция в цитоплазму активирует оба нейрона, включает в них машину, которая ведет к формированию импульсов действия. В общем, по мозгу станут параллельно распространяться две мысли.

Однако в молекуле Познера имеются шесть фосфоров. Совсем не исключен вариант, что в одну из спутанных молекул войдет еще один фосфор, уже из другой спутанной пары. А спутанный с ним фосфор окажется в третьей молекуле. Итог: все три молекулы будут спутанны. При благоприятном стечении обстоятельств в мозгу формируется сеть из спутанных молекул Познера, которые могут быть распределены по многим нейронам.

В сущности, это не что иное, как квантовый компьютер из множества молекул-кубитов, состояние которых меняется синхронно. То есть какая-то информация мгновенно передается сразу во множество нейронов, а то и отделов мозга, ведь для квантовой телепортации нет расстояний. А результат вычислений проявляется в виде последовательности распадов молекул Познера и вызванной этим активации нейронов, где такие распады проходят с формированием действия. В сущности — как и в модели Ху и Ву, где распад пикселей сознания также ведет к активации нейронных машин.

Поиск программиста

Модель Фишера дает несколько более конкретный механизм работы квантового компьютера мозга, однако оставляет открытыми ничуть не меньше вопросов. Скажем, в этой модели никак не просматривается механизм анестезии, которым так гордятся Ху и Ву. Ни в той, ни в другой модели не обсужден феномен ЯМР, а ведь в этом методе исследование идет именно за счет возбуждения спинов водорода внешним полем, однако на сознании пациента это никак не сказывается. И совсем вне поля зрения остается тот программист, который управляет квантовым сознанием.

В теории компьютера программист пишет программу, задает квантовые состояния кубитов, формирует их суперпозицию. Далее, меняя состояния кубитов, проводит некие логические и вычислительные операции и в конце концов выясняет, какая суперпозиция вышла. В мозгу, как следует из моделей что Ху и Ву, что Фишера, программиста не видно и все происходит достаточно случайно. То есть никакого осмысленного результата от таких вычислений ожидать не приходится, а ведь чтобы сознание работало, результат должен быть как раз вполне осознанным.

Конечно, если встать на точку зрения Пенроуза, если считать, что квантовым процессом в мозгу управляет сама по себе структура пространства-времени, а то и сила, которая за этой структурой стоит, можно составить некоторое представление о программисте.

Однако, оставаясь в рамках материализма, хочется найти другие объяснения и механизмы. И надежды на это есть, коль скоро идея квантового сознания сформулирована. И не только сформулирована. Уже созданы первые модели, собран некоторый экспериментальный материал, который может свидетельствовать, что такая идея не лишена оснований. Поэтому, в силу аксиомы о неостановимости процесса познания, когда-нибудь мы все-таки узнаем и о деталях механизма, и о программисте, который управляет сознанием через квантовую систему. Как там у Ленина: «Декабристы разбудили Герцена, Герцен развернул революционную агитацию...».

[ArefievPV]

Еще одна концепция памяти: сначала энграммы, а потом синапсы
http://neuronovosti.ru/silent_engrams_article/
В 2016 году нейроучёные MIT обнаружили (мы писали об этом), что при определённых типах ретроградной амнезии воспоминания о конкретном событии сохраняются в мозге в энграммных клетках, даже если память не получается восстановить с помощью естественных «позывных». Это явление предполагает пересмотр существующих моделей формирования памяти, что и предлагают исследователи в более поздней статье, в которой они подробно описывают то, как «тихие энграммы» формируются и повторно активируются.

Обычно считается, что процессы обучения и запоминания состоят из трёх основных этапов: кодирования событий в сетях мозга, хранения закодированной информации и последующего её извлечения, когда это необходимо. Но оказалось, что это немного не так.

«Один из основных выводов этой работы заключается в том, что конкретная память хранится в определённой структурной связности между ансамблями энграммных клеток, которые лежат вдоль определённого анатомического пути. Этот вывод провокационный, потому что существующая догма предполагает, что память вместо этого сохраняется с помощью синапсов», — говорит Сусуму Тонегава (Susumu Tonegawa), профессор биологии и нейронаук, директор Центра генетики нейронных сетей RIKEN-MIT в Институте обучения и памяти Пикауэра, старший автор исследования.

Исследователи также показали, что, несмотря на то что воспоминания, хранящиеся в тихих энграммах, нельзя вызвать естественным образом, они сохраняются в течение по крайней мере недели и могут быть «пробуждены» через несколько дней с помощью обработки клеток белком, который стимулирует образование синапсов.

Скрытые воспоминания

В статье 2015 года Тонегава и его коллеги впервые показали, что воспоминания могут сохраняться даже тогда, когда блокируется синтез клеточных белков. Они обнаружили, что их можно искусственно извлечь с использованием оптогенетической техники.

Исследователи назвали эти ячейки памяти «тихими энграммами» и с тех пор обнаружили, что они также могут сформироваться и при различных нейродегенеративных заболеваниях типа болезни Альцгеймера. Работая с её мышиной моделью, учёные доказали: воспоминания остаются, только к ним теряется доступ, который в принципе можно восстановить.

На более позднем этапе изучения процесса, называемого системной консолидацией памяти, исследователи обнаружили энграммы как в гиппокампе, так и в префронтальной коре, которые кодировали одну и ту же память. Однако соответствующие участки префронтальной коры «молчали» примерно две недели после того, как память первоначально записалась, но при этом участки гиппокампа активировались сразу. Со временем всё становилось наоборот, и замолкали участки гиппокампа.

Ансамбли памяти

В новом исследовании, опубликованном в PNAS, авторы продвинулись ещё дальше в том, как формируются эти тихие энграммы, как долго они держатся и как их можно обратно активировать.

Подобно их первому исследованию 2015 года они обучали мышей помнить, в какой клетке они испытывали шоковую реакцию. Сразу после тренировки ингибировался синтез клеточных белков, и мыши таким образом забывали о полученном опыте. Но когда под воздействием света клетки памяти активировались (а всем животным предварительно в мембраны нейронов встраивался светочувствительный белок), мыши замирали в страхе даже в нейтральном месте. Оказалось, что эти воспоминания можно восстанавливать на протяжении восьми дней после первоначального обучения.

Этими результатами поддержалась гипотеза Тонегавы о том, что усиление синаптических соединений, необходимое для первоначальной кодировки памяти, не является необходимым для последующего длительного хранения. Вместо этого он говорит, что память хранится в конкретном шаблоне соединений, образованных между ансамблями энграммных клеток. Эти соединения, которые очень быстро формируются при кодировании, отличаются от синаптического усиления, которое происходит позже (в течение нескольких часов после события) с помощью синтеза необходимых белков.

Это поставило вопрос о том, зачем тогда после кодирования синтезируются белки. Учитывая, что тихие энграммы не извлекаются естественным путём, исследователи полагают, что основная цель белкового производства – обеспечить возможность естественной реакции на вызовы, чтобы память работала максимально эффективно.

P.S. Статья, на которую ссылается автор заметки:

Вспомнить всё: как мыши вспоминали забытое при Альцгеймере
http://neuronovosti.ru/remember-hara-mamburu/
Куда деваются воспоминания при болезни Альцгеймера? Буквально за несколько лет при этой патологии человек может потерять не только картину прошлых событий, но и весь жизненный опыт вплоть до базовых навыков. Только вот согласно закону сохранения энергии ничто никуда просто так не девается, а лишь переходит из одного качества в другое (предполагаю, что в данном контексте упоминание о законе сохранения энергии использовано для образности). Вот и решили исследователи из Массачусетского технологического института выяснить, куда же исчезли беглецы. И оказалось, что все воспоминания всё равно хранятся в мозге, но к ним просто затруднился доступ.

Нейробиологи из MIT опубликовали в журнале Nature исследование, в котором изучали механизмы потери и восстановления памяти при болезни Альцгеймера. Они обнаружили, что на ранних стадиях патологии новые воспоминания формируются точно так же, как и в норме, но вот через несколько дней вспомнить их уже не получается. Предполагая, что эти отголоски прошлого всё же не пропали бесследно, учёные смогли искусственно стимулировать их восстановление при помощи методов оптогенетики. Хотя этот способ пока не может использоваться на людях, результаты говорят о том, что такой способ стимуляции памяти претендует на очень даже неплохое место в терапии будущего для мнестических расстройств.

«Важно то, что мы доказали концепцию. То, что раньше казалось безвозвратно потерянным, нашлось на своём месте. Вопрос в другом: как теперь его оттуда извлечь?»
— задаётся вопросом Сусуму Тонегава (Susumu Tonegawa), директор Объединённого центра нейронной генетики RIKEN-MIT и Института наук о мозге в городе Рикен (Япония), нобелевский лауреат 1987 года за открытие генетического принципа образования разнообразия антител.

Провал в памяти

В последние годы лаборатория профессора Тонегавы нашла в гиппокампе клетки, в которых хранятся конкретные воспоминания. Исследователи также выяснили, что они могут манипулировать этими «следами памяти» или энграммами (клетки получили название энграммных), чтобы внедрить ложные воспоминания, активизировать существующие или изменить «вспоминательные» эмоциональные ассоциации.

В прошлом году Тонегава и его аспирант из MIT Дхерай Рой с коллегами обнаружили, что мыши с ретроградной амнезией, которая сопровождает травматическое повреждение или стресс, испытывали значительные трудности, чтобы что-то вспомнить впоследствии, но всё ещё могли легко запоминать в данный момент. Наблюдение навело учёных на мысль, что этот факт может подтвердиться и в ранних стадиях болезни Альцгеймера. А проверяли свои догадки они на двух группах генно-модифицированных мышей с симптомами заболевания, сравнивая их с контролем.
Мышей помещали в камеру, где они получали удар тока. Естественно, животные пугались, а затем испытывали страх, когда их клали туда снова через час. Однако, когда мыши опять попадали в эту камеру через несколько дней, то только здоровые помнили о том, как им здесь «доставалось». У больных же страх пропадал.

Как найти доступ?

Далее исследователи продемонстрировали, что если мышей определённым образом простимулировать, напомнив о недавнем опыте, то воспоминания «чудесным образом» возрождались. Как они это делали? Связанные со страхом энграммные клетки нормальных мышей после первого опыта учёные помечали светочувствительным белком — канальным родопсином, и всякий раз, когда клетки активировались световым импульсом, мыши начинали бояться. Аналогичным образом исследователи поступили с «альцеймерными» мышами, поместив их в камеру, где те никогда не были прежде, и посветив на их энграммные клетки с закодированными страшными воспоминаниями. Результат оказался почти очевидным: мыши снова испытали страх.

«Напрямую активируя клетки, которые считаются хранителями памяти,  мы восстанавливаем утраченные переживания. Это говорит о том, что проблема действительно в доступе к информации, а не в том, что воспоминаний больше нет»,
— замечает Рой.

Исследователи также увидели, что энграммные клетки альцгеймерных мышей содержали меньше дендритных шипиков, небольших выступов на поверхности дендрита, позволяющих нейронам получать входящие сигналы от других нервных клеток.

Обычно, когда формируется новое воспоминание, то клетки, соответствующие ему, отращивают новые дендритные шипики, чего не происходит у генно-модифицированных мышей. Такой инцидент  говорит о том, что эти самые «запоминающие» клетки не получают естественные сенсорные сигналы, которые должны реактивировать память, от другой части мозга, так называемой энторинальной коры.

«Если мы хотим что-то вспомнить, наши «клетки-формуляры» должны активироваться с помощью правильной метки. Но если плотность дендритных шипиков не росла во время образовательного процесса, то позже, если вы подадите естественный сигнал, он может не достичь ядра энграммных клеток»,— объясняет Тонегава.

Долгосрочные связи

Это всё, конечно, хорошо, но вспомнив единожды, хочется ведь потом больше не забывать. Так вот, исследователи подобрали решение и к такой проблеме. Они смогли реанимировать «потерянные» воспоминания надолго, активизировав образование новых связей между энториальной корой и гиппокампом.

Чтобы добиться этого, они оптогенетически стимулировали клетки энторинальной коры, которая «подпитывает» энграммные клетки гиппокампа, кодирующие воспоминания о страхе. После трёх часов эксперимента исследователи запаслись терпением и протестировали мышей снова лишь через неделю. Какова же была радость у команды, когда мыши смогли «вспомнить всё» в первоначальной камере «пыток». И, как и ожидалось, на их клетках памяти обнаруживалось гораздо больше дендритных шипиков.

Однако, этот подход не сработает, если будет стимулироваться слишком большая часть энторинальной коры, поэтому исследователи предполагают, что любая подобная потенциально возможная процедура для больных людей должна проводиться крайне точечно. Оптогенетический способ очень точный, но слишком агрессивный для использования человеком. А существующие сейчас методы глубокой стимуляции мозга — разновидности электростимуляции, которые иногда используются для лечения болезни Паркинсона и других заболеваний — оказывают на мозг слишком широкое действие.

«Вполне возможно, что в будущем появится технология, которая сможет адресно и с большей точностью активировать или инактивировать глубоко расположенные внутри мозга клетки гиппокампа или энторинальной коры. Наше фундаментальное исследование говорит о том, что на особые клеточные популяции можно оказывать целенаправленное действие, которое будет иметь ключевое значение для лечения или различных технологий будущего», — говорит Тонегава.

[ArefievPV]

Перст судьбы — как выбирают свой жизненный путь мигрирующие клетки нервного гребня
http://neuronovosti.ru/perst-sudby-kak-vybirayut-svoj-zhiznennyj-put-migriruyushhie-kletki-nervnogo-grebnya/
Международная группа ученых рассмотрела одну из фундаментальных проблем биологии развития — процесс формирования различных типов клеток, входящих в состав сложных организмов из одинаковых клеток-предшественников. Исследователи изучали клетки нервного гребня рыбок Danio rerio. Это особый тип клеток, присущий всем позвоночным, и они способны развиваться в различные клеточные типы, включая нейроны, клетки глии, хрящей, пигментные клетки и клетки некоторых других типов. Результат научной работы опубликован в журнале Nature Communications. Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (грант № 075-15-2021-601).

Клетки нервного гребня — это интересные мигрирующие клетки, по своему поведению напоминающие раковые, — в том смысле, что они также способны перемещаться по организму. Отличие в том, что раковые клетки образуют метастазы в различных местах, разрушая организм, а клетки нервного гребня создают, например, вегетативную нервную систему.

«У зародышей всех позвоночных формируются хорда и нервная трубка, и в последней возникает тот самый нервный гребень, в котором формируются клетки, способные мигрировать по всему организму и преобразовываться в клетки разных типов.  Этот процесс хорошо изучен, но до сих пор непонятно, в какой момент происходит выбор клеткой “своей судьбы”. Версия ограниченного пути (DFR, direct fate restriction) предполагает, что в ходе миграции клетка достигает целевого органа и под воздействием сигналов от клеток этого органа приобретает свой окончательный клеточный тип. Например, в коже под влиянием каких-то окружающих клеток образуются пигментные клетки. Версия прогрессивного пути (PFR, progressive fate restriction) предполагает, что клетка сначала приобретает предопределенный клеточный тип и дальше направляется в предназначенную ей ткань», — рассказал об исследовании Всеволод Макеев, заведующий  кафедрой биоинформатики МФТИ.

Клетки нервного гребня со своими потомками (их называют также «производными») — довольно сложная система, представляющая собой сообщество разных типов клеток. Главное, что затрудняет исследования: эти клетки не образуют пластов из-за постоянной миграции, и их довольно трудно выделить на пути перехода. Таким образом, объектом исследования стали пигментные клетки, которые имеют присущий им цвет, что наглядно видно у ярких рыбок Danio rerio. Давняя, но непроверенная гипотеза предполагает, что все типы пигментных клеток у позвоночных имеют общего и эксклюзивного предшественника. 

Данио рерио имеет три типа пигментных клеток: черные меланоциты (M), желтые ксантофоры (X) и отражающие серебристые иридофоры (I). Таким образом, в ходе формирования все три типа пигментных клеток распределяются особым образом, складывая трехцветный рисунок с продольными черными полосками.


Рисунок. PFR-модели развития пигментных клеток рыбок данио рерио из нервного гребня. Источник: Nature Communications

Исследователи изучили судьбу 1317 клеток нервного гребня мальков, помечая зеленым флуоресцентным белком (GFP) еще в икринках определенный ген, работа которого характерна для клеток нервного гребня на ранних стадиях развития. Продукт этого гена заставляет светиться всех потомков таких клеток, что позволяет проследить дальнейшую судьбу путешественников.

Первоначально ученые задались целью ответить на вопрос о том, как происходит само «определение судьбы»: получают ли клетки нервного гребня, достигая какого-то места, сигналы о предстоящем изменении от окрестных тканей, либо наоборот: с самого начала своего пути они знают, кем собираются стать, и идут к своей цели. Споры на эту тему ведутся уже более 15 лет, и проведено довольно много экспериментов в пользу каждой из теорий. В настоящее время наиболее популярна компромиссная концепция PFR, согласно которой, в ходе миграции возможности выбора у клетки постепенно уменьшаются. Например, при выходе из нервного гребня клетка направляется в сторону кожи. В начале пути клетка может выбрать любую судьбу, потом — любую, кроме хрящевой, а где-то ближе к «пункту назначения» у нее остается выбор стать только одной из трех пигментных клеток.

В этом исследовании планировалось выявить промежуточные типы, в частности, найти и описать предшественников трех типов пигментных клеток. К удивлению исследователей, этого сделать не удалось. Было обнаружено, что клетки, которые могут давать все типы пигментных клеток, как минимум могут образовывать еще периферические нейроны и клетки глии. Такая ситуация в чем-то схожа с теорией, что клетки нервного гребня в итоге делают свой окончательный выбор, получая сигналы от клеток, окружающих их, когда они достигают конечного пункта, с той разницей, что число возможных типов сильно меньше, чем полный спектр производных нервного гребня. Например, клетки, которые переходят в хрящи, определяют  свой тип существенно раньше.

Интересно, что выбор конкретного клеточного типа из пяти возможных тоже происходит новым способом.

«В результате анализа мы пришли к новой модели, где клеточный тип определяется динамически: приближаясь к месту назначения, “предшественники” ведут себя в зависимости от поступающего к ним от окружения сигнала; если сигнал поступает, клетки приобретают свой окончательный тип, а если нет, они меняют свое “внутреннее состояние” таким образом, что становятся в состоянии воспринять другой сигнал и приобрести другой клеточный тип. Если и этот сигнал не поступает, клетки опять меняют свое внутреннее состояние. Подобная модель позволяет объяснить результаты многих экспериментов. Это как выбор работы: мы нацелены на определенный результат и ждем предложений, но если они не поступают, рассматриваем и варианты других профессий, начинаем обращать внимание на предложения, которые игнорировали раньше», — подытожил Всеволод Макеев. 

Для формулировки этих результатов потребовались многочисленные очень тонкие эксперименты, проведенные в Великобритании, в Университете города Бата, группой профессора Робера Келша. Российская группа провела исследования в области биоинформатики, которые позволили объединить результаты многолетних экспериментов, поставленных разными исследовательскими группами, всесторонне охарактеризовать ключевые гены и дать более полную оценку их вероятной активности на протяжении процесса дифференцировки. В проведении работы большую роль сыграл грант на поддержку сотрудничества в области фундаментальных научных исследований, предоставленный совместно РФФИ и Лондонским королевским обществом.

В исследовании принимали участие ученые из Университета Бата и Университета Суррея (Великобритания), Института общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН, Московского физико-технического института, Института проблем передачи информации им. А.А.Харкевича и Казанского федерального университета.

[ArefievPV]

Ожидания повлияли на недавние воспоминания
https://nplus1.ru/news/2023/04/10/stm-illusions
Люди видели Ɔ, но помнили С

Ожидания или представления о мире могут влиять на кратковременную память людей. Это выяснили исследователи из Канады и Нидерландов, которые показывали людям изображения с разными символами — латинскими буквами и их зеркальными отражениями — и просили их запомнить. Люди чаще помнили, что видели реальную букву, когда на самом деле видели отражение, чем наоборот — знание алфавита исказило воспоминания. Исследование опубликованов PLoS One.

Наша память может обманывать нас и создавать ложные воспоминания, выдавая их за реальные. Обычно такие воспоминания основаны на реальных событиях, однако каждый раз, когда мы что-то вспоминаем, мозг создает эту историю заново — и искажает ее. На это влияет контекст — то, что происходило во время самого события и то, что происходит во время извлечения воспоминания, а еще наши ассоциации, представления о мире или ожидания. Ложные воспоминания можно даже создать с нуля: внушить человеку, что с ним происходило событие, которого на самом деле не было.

Искажаются обычно давние воспоминания, и может показаться, что кратковременная память должна быть более точна — ведь она хранит информацию не так долго. Тем не менее, мы иногда точно помним, что положили ключи на тумбу у двери, хотя на самом деле оставили их в кармане куртки. И некоторые исследования подтверждают, что и кратковременная память подвержена искажениям.

Марте Оттен (Marte Otten) из Амстердамского университета с коллегами провели четыре эксперимента, чтобы исследовать искажения кратковременной памяти. Во всех экспериментах ученые ненадолго показывали участникам картинку с буквами латинского алфавита, который был хорошо им знаком, и с псевдобуквами — зеркальным отражением тех же букв. Участникам нужно было запомнить символы и их расположение, а затем ответить, какой именно символ они видели в конкретном месте. Подобные эксперименты уже проводились: людям показывали отраженную букву, а они были уверены, что им показали обычную. Но тогда исследователи списали это на ошибки восприятия, а не ошибки памяти.

Здесь участникам исследования на 0,25 секунды показывали картинку, на которой 6–8 букв и псевдобукв были выстроены в круг. В двух экспериментах псевдобукв было меньше, а в двух других исследователи размещали на картинках по три настоящих буквы и три их отражения. Людей заранее предупредили о том, что буквы могут быть зеркально отражены, и призвали обращать на это внимание. После небольшой паузы — от 0,75 секунды до 3 секунд — на экране на полсекунды появлялась квадратная рамка на месте одного из символов. Кроме этого, была еще одна картинка с другими буквами и псевдобуквами, которая появлялась после рамки или одновременно с ней. Это дополнительное изображение следовало игнорировать — оно было нужно, чтобы запутать участников.

В конце появлялся экран с шестью символами — вариантами ответа. Участники должны были выбрать один — тот, что был на месте рамки. Среди вариантов ответа была нужная буква в той же ориентации, что на исходной картинке и ее зеркальное отражение, и другие буквы и псевдобуквы. В первом эксперименте реальных букв было больше, а в других букв и их отражений стало поровну. Затем участники должны были указать, насколько они уверены в ответе по шкале от 1 до 4.

Во всех четырех экспериментах результаты были примерно одинаковыми: люди, которые должны были запомнить реальную букву, ошибались и выбирали вместо нее псевдобукву лишь в 8–15 процентах случаев. Чуть реже выбор падал на совершенно другой, непохожий символ — в 10 процентах случаев. Если же на месте рамки была псевдобуква, ошибки случались чаще: участники вспоминали вместо нее реальную букву в 30–40 процентах случаев. Это происходило от того, полагают авторы, что люди привыкли видеть нормальные, не отраженные буквы. При этом если пауза между исчезновением картинки и появлением рамки была дольше, то и ошибались люди чаще. А еще когда люди выбирали реальную букву вместо пвсевдобуквы, они чаще были уверены в своем ответе, чем нет. Авторы назвали такие искажения иллюзиями памяти.

Из-за того, что таких иллюзий памяти становилось больше со временем, исследователи пришли к выводу, что в некоторых случаях воспоминание о псевдобукве формируется, но затем его заменяет иллюзорное воспоминание о реальной букве, то есть речь здесь не только об искажении восприятия. Мы не просто видим то, что хотим видеть, но и помним то, что хотим помнить.

И наши представления о мире и ожидания могут влиять даже на воспоминания о событиях, которые только что произошли.

Недавно мы рассказывали об исследовании, которое помогло ученым разобраться, как воспоминания переходят из кратковременной памяти в долговременную. Как выяснилось, переносить воспоминания из гиппокампа в кору помогает таламус.

[ArefievPV]

Гребневики живут без синапсов
https://www.nkj.ru/news/47996/
Нервная система гребневиков состоит из нейронов, которые слились друг с другом своими отростками в единое целое.

У всех животных нервная система состоит из специализированных клеток нейронов, соединённых друг с другом столь же специализированными межклеточными контактами-синапсами. Синапсы могут быть разные, в каких-то импульс перескакивает с клетки на клетку без посредников (так называемый электрический синапс), в каких-то импульс передаётся с помощью нейромедиаторов. Сами нейроны тоже могут отличаться и по строению, по функциям, по электрохимическим свойствам, а кроме нейронов в нервной системе часто появляются вспомогательные клетки, помогающие нейронам жить и работать и т. д. Эволюция животных шла долго, нервная система у разных животных подлаживалась под разные условия, но базовая схема оставалась неизменной — генерирующие импульс клетки, соединённые специальным контактом.

И тут оказывается, что из этого правила есть исключение. В статье в Science сотрудники Бергенского университета вместе с коллегами из Германии и Великобритании пишут, что у гребневиков есть нейроны, но нет синапсов. Гребневиками называют исключительно древних животных, отчасти похожих на медуз — это желеобразные прозрачные существа, плавающие в толще моря и питающиеся небольшими ракообразными, коловратками и другой планктонной мелочью. Плавают они, шевеля множеством ресничек, которые собраны в характерные гребни — откуда и название. Про их нервную систему говорят, что она децентрализованная, то есть выглядит просто как сеть нейронов. При этом более подробных сведений про их нервную систему не было, во многом потому, что их желеобразную и одновременно хрупкую анатомию довольно трудно изучать. Кое-кто полагал, что то, что мы видим, вообще не нервная система, и что её у них просто нет, потому что в их геноме нет некоторых важных генов, без которых её невозможно представить.

Сейчас исследователи сумели изучить личинку гребневика Mnemiopsis leidyi с помощью электронного микроскопа. Изображения огромного количества поперечных срезов объединили в трёхмерную карту тела личинки, на которой проявились пять нейронов, соединённые слившимися друг с другом отростками. Получалась единая непрерывная сеть без каких-либо контактов-переходов-синапсов. Нейроны гребневиков оказались объединены в синцитий — так называют тип ткани, когда клетки не разграничены или мало разграничены друг от друга. Притом нельзя сказать, что нейроны гребневиков не нейроны: у них есть ионные каналы, которые позволяют менять концентрацию ионов на мембране и создавать бегущий импульс, и у них есть специфические пептиды вроде тех, которые есть у животных с «нормальными» нервными системами.

Кроме слившихся в единую сеть нейронов, у личинок гребневиков есть сенсорные клетки и отдельные нейроны, которые в эту сеть не входят. Предполагается, что они управляют движениями ресничек, что они как-то общаются с «сетевыми» нейронами, но для чего на самом деле нужны отдельно сидящие нейроны и как они общаются с нейронной сетью, пока неясно.


Трёхмерная реконструкция личинки гребневика из электронных микрофотографий. Шар из сиреневых нитей — та самая система из непрерывно переходящих друг в друга нейронов. Синие участки с зелёными отростками — реснички, с помощью которых гребневики плавают. Жёлтые звёздчатые клетки — «внесистемные», отдельно сидящие в теле нейроны. Отдельные синие пятна с жёлтыми тонкими отростками — сенсорные клетки. Большой розовый «остров» внизу — щупальце, которым личинка хватает добычу. Иллюстрация: Pawel Burkhardt et al, Science (2023).

Почему вообще нервная система гребневиков так занимает исследователей? Мы сказали, что они исключительно древние. Но на самом деле гребневики не просто одни из древнейших животных, они оспаривают право вообще называться самыми древними и самыми первыми животными на земле. Оспаривают они его у губок, у которых нервной системы вообще нет. Но даже если гребневики были не первыми, а вторыми или третьими, то всё равно возникают сложные вопросы, касающиеся эволюции нервной системы. Она развивалась у них явно параллельно той нервной системе, которую можно увидеть в любых других животных. Приобрели ли гребневики свою бессинаптическую нервную систему независимо от других? И что означают добавочные внесетевые нейроны гребневиков — можно ли предположить, что у них есть какие-то элементы обычной нервной системы?

Синапсы дают мощный инструмент управления нейронными импульсами: они позволяют формировать новые нейронные цепочки, синаптические нейромедиаторы и рецепторы к ним помогают регулировать чувствительность нейронов к входящим сигналам и т. д. Гребневики как-то без этого обходятся, но чтобы понять, как именно, нужно увидеть их нервную систему в действии, то есть нужны весьма изощрённые эксперименты с гребневиками, в которых можно было бы вживую наблюдать за работой их нейронов. Вполне вероятно, что такие исследования будут проведены в ближайшее время, потому что благодаря нервной системе гребневиков наверняка удастся решить некоторые особенно трудные вопросы, касающиеся общей эволюции животных в целом.

[ArefievPV]

Двигательного нейрогомункула перерисовали по-новому
https://www.nkj.ru/news/47995/
В функциональной карте двигательной коры нашли зоны, помогающие координировать движения в масштабах всего тела.

У всех частей тела есть представительство в мозге — то есть они сообщаются нервными импульсами с определённой мозговой зоной. Есть зона для языка, зона для глаз, рук, ног и т. д. О каких импульсах идёт речь? О сенсорных и о двигательных: мозгу нужно ощущать тепло, холод, прикосновения и боль, которые чувствуют наши руки-ноги, а от себя он должен посылать им двигательные команды. И очень давно было замечено, что разные части тела представлены в мозге неравномерно. Мы это можем понять по собственному опыту: какие-то части тела чувствительнее других, а наши пальцы и язык совершают более сложные движения, чем локти или бёдра. И вовсе необязательно, чтобы представительства частей тела в мозге соответствовали их реальному расположению, то есть область, управляющая большим пальцем, вполне может оказаться рядом с областью, управляющей шеей.


Если относительные размеры участков двигательных и сенсорных зон в коре мозга перенести на соответствующие им части тела, то получится такой трёхмерный портрет кортикального нейрогомункула. (Иллюстрация: Mpj29 / Wikipedia)

Если на рисунке сопоставить части тела с соответствующими зонами коры полушарий, получится странный человечек-гомункул с огромными руками и губами и маленькими ножками. Его называют гомункулом Пенфилда, в честь знаменитого нейрохирурга, который систематизировал собственные и чужие данные о функциональных связях коры с телом человека. Различают гомункула сенсорного и гомункула моторного, хотя они довольно сильно похожи друг на друга.

Кортикальный гомункул появился к 1937 году и долгое время пользовался, что называется, непререкаемым авторитетом среди нейробиологов. Однако как минимум с начала XXI в. стали появляться данные, что гомункул не вполне точен. Например, появилось предположение, что в первичной моторной коре, от которой идут двигательные импульсы к мышцам, на самом деле есть не одна, а две двигательные нейронные системы: одна — та, что посылает непосредственные двигательные импульсы в части тела, и вторая, которая заведует мышечной синергией и следит за тем, чтобы движения были скоординированными.

Сотрудники Вашингтонского университета в Сент-Луисе затеяли перепроверить двигательного нейрогомункула с помощью данных функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В эксперименте участвовали несколько человек. Они выполняли простые движения (например, шевелили бровями или пальцами ног) и сложные движения (например, вращали кистью или стопой), пока активность их мозга фиксировали с помощью фМРТ; кроме того, активность мозга записывали в состоянии полного покоя — исследователей интересовало, как общаются разные участки коры, когда им не приходится управлять никакими движениями.

С одной стороны, новые данные отчасти подтвердили устройство двигательного гомункула: в двигательной коре действительно есть отдельные зоны, отвечающие за пальцы ног, пальцы рук, язык и т.д. Но при этом двигательные зоны сгруппированы в три части, соответствующие нижней части тела, торсу и рукам и голове. Внутри каждой «мегазоны» есть участки, которые соответствуют наиболее удалённым частям тела — например, пальцам. Такие участки будут находиться, условно говоря, посередине «мегазоны», то есть участок пальцев ног (прим. моё: наверное, «пальцев рук», опечатка, полагаю) будет сидеть между участками коры, отвечающими за локти и предплечья.


Схема старого двигательного гомункула Пенфилда (слева) и новый перерисованный гомункул (справа). Иллюстрация: Evan M. Gordon et al., Nature (2023)

Наконец, самое важное — большие зоны головы, торса и нижней части тела перемежались зонами без какой-либо специализации. Эти странные участки, во-первых, оказались тесно связаны друг с другом, во-вторых, оказались тесно связаны с другими частями мозга, которые отвечают за планирование действий, за болевые ощущения, за регуляцию кровяного давления. Они активировались тогда, когда какое-то движение — всё равно, какое — только задумывалось. Исследователи пишут в Nature, что участки без специализации координируют действия в масштабах всего тела с учётом данных из других зон мозга, которые не посылают напрямую двигательных импульсов к мышцам. Конечно, никто не думал, что мозг не умеет координировать движения, но сейчас соответствующие зоны удалось обнаружить в явном виде, причём они оказались в составе двигательного нейрогомункула.

Экспериментальные данные, полученные на горстке добровольцев, перепроверили на десятках тысяч снимков фМРТ других людей. Десятки тысяч снимков подтвердили, что всё так и есть — гомункул (или функциональная карта моторной коры) у людей устроен действительно несколько иначе, чем было принято считать, и надо бы его перерисовать в соответствии с новыми данными, с учётом зон общего согласования и пр. Кстати, у младенцев, которым ещё нет года, эти зоны общего контроля себя ещё не проявляют, что вполне соответствует тому, что младенцам сложная координация движений пока недоступна. В перспективе более точное изучение устройства двигательной коры нашего мозга поможет найти более эффективные методы терапии разнообразных двигательных расстройств.

[ArefievPV]

Без нейронов, но с нейромедиаторами: медленный танец трихоплакса
http://neuronovosti.ru/bez-nejronov-no-s-nejromediatorami-medlennyj-tanets-trihoplaksa/
Международная группа исследователей, в которую входит один из самых известных исследователей проблематики возникновения нервной системы, Леонид Мороз, изучила поведение простейших многоклеточных животных без нервной системы и влияние на него веществ, которые позже стали нейромедиаторами. Изучение «танца» представителя типа пластинчатых, Trichoplax adhaerens, и влияние на него некоторых веществ было опубликовано в журнале Frontiers in Neuroscience. Мы попросили первого автора этой статьи, Михаила Никитина, прокомментировать свое исследование, а комментарий разросся в полноценную нейроновость. Так что передаем слово автору.

Одним из важнейших эволюционных прорывов животных стало возникновение нервной системы. Но как это произошло и что предшествовало нервной системе, никто не знает. Прояснить этот вопрос может изучение двух типов животных, не имеющих нервной системы — губок и пластинчатых. Причем пластинчатые, наиболее известен из которых вид Trichoplax adhaerens, более интересны, так как это подвижные животные, у которых есть поведение, тогда как губки сидят на одном месте и просто фильтруют воду.

Trichoplax adhaerens — одно из самых скромных и невзрачных животных в мире. Невооруженным глазом он выглядит как серое пятнышко грязи на стекле морских аквариумов. Под микроскопом видно, что это плоская пластинка из трех слоев клеток, до 1-2 миллиметров в ширину и до 20-30 микрон в толщину. У него нет ни симметрии, ни постоянной формы, ни переда и зада, ни рта, ни желудка, ни мышц, ни нейронов. Trichoplax медленно ползает на ресничках, меняя форму подобно амебе, и переваривает пленки бактерий и водорослей всей своей нижней стороной. Trichoplax очень нетороплив — скорость полмиллиметра в минуту для него  — это очень быстро. Он никогда не спит, а всегда либо ест, либо ищет еду.

По одной из хорошо обоснованных гипотез, нервной системе в эволюции могла предшествовать «система объемной передачи» — разбросанные по телу первых животных железистые клетки без отростков и синапсов, которые выделяли сигнальные вещества и тем самым координировали физиологические процессы. Сигнальные вещества этой системы позже стали нейротрансмиттерами и гормонами. Эта гипотеза предсказывает, что системы синтеза и рецепторы к нейротрансмиттерам старше нервной системы. Изучение генома Trichoplax это подтверждает — у него уже есть рецепторы к глутамату, ГАМК, АТФ и ряду пептидных трансмиттеров. К примеру, мною in silico было предсказано существование пептидных трансмиттеров этого организма, что затем получило подтверждение; помимо этого нашим коллегам удалось обнаружить опиоидный пептид Trichoplax и провести поведенческие эксперименты с ним.

Мы решили поставить поведенческие эксперименты, чтобы найти и описать реакции Trichoplax на эти вещества — глутамат, ГАМК, АТФ и еще на глицин. Вскоре мы столкнулись с тем, что нигде в литературе нет подробного количественного описания нормального поведения Trichoplax, помимо питания. А как изучать реакции на вещества, если неизвестно нормальное поведение?

Поэтому нам пришлось начать со съемок нормального поведения, и тут же обнаружились сюрпризы. Например, Trichoplax при ползании оставляет слизистый след, и эти следы влияют на его поведение. На чашке, где несколько часов ползали его сородичи, Trichoplax ползает в несколько раз быстрее, чем на чистой — и это важно, так как в эксперименте ученые стараются использовать чистую посуду, а в реальных морях все твердые поверхности покрыты чьими-то слизями. Получается, что опыты с Trichoplax на чистой чашке не отражают их природное поведение.
В опытах с аминокислотами мы быстро обнаружили, что глутамат действует на Trichoplax как пищевой сигнал. При добавлении глутамата они останавливаются и пытаются есть даже на чистом стекле. Глицин и ГАМК, напротив, подавляют его аппетит даже на вкусных водорослях. Кроме того, и ГАМК, и глицин побуждают Trichoplax ползать по более извилистому пути, вплоть до кручения на одном месте, что может иметь отношение к поискам пищи по ее запаху.

Мы продолжаем работы по анализу клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе сигнальных ролей этих аминокислот у Trichoplax. Ранее мы показали микрохимическим анализом, что его клетки накапливают ГАМК и глицин, а в геноме закодированы везикулярные транспортеры для этих аминокислот. То есть они могут быть не только внешними стимулами, но и внутренними сигнальными молекулами системы объемной передачи, координирующей движения этого животного.

P.S. Размещал ранее:

Могли ли нейротрансмиттеры создать нервную систему в качестве эволюционного ответа на повреждение?
https://elementy.ru/novosti_nauki/433837/Mogli_li_neyrotransmittery_sozdat_nervnuyu_sistemu_v_kachestve_evolyutsionnogo_otveta_na_povrezhdenie

[ArefievPV]

Обезьяны оказались способны к вдумчивому принятию решений
http://neuronovosti.ru/obezyany-okazalis-sposobny-k-vdumchivomu-prinyatiyu-reshenij/
Американские ученые продемонстрировали, что обезьяны, как и люди, способны к сложным размышлениям. Например, они умеют учитывать комбинации факторов. При этом приматы не импульсивно гонятся за первым доступным вариантом, а находят оптимальное решение, исходя из ограничений, затрат и последствий. Исследование опубликовано в журнале Nature Neuroscience, на русском об этом написал партнерский портал Inscience.News.

Исследователи, изучающие высшую нервную деятельность, задаются фундаментальными вопросами: каким образом мы мыслим? Что происходит в нашем мозгу, когда мы размышляем над сложными вопросами: например, куда поехать отдыхать или какой университет выбрать? Могут ли другие животные, например обезьяны, так же глубоко подходить к анализу какой-либо проблемы?

В 1979 году психологи Даниэль Канеман и Амос Тверски предложили так называемую теорию перспектив, которая описывает, как люди выбирают между вариантами с известными рисками и ограничениями. Авторы выявили две системы мышления: быструю, которая происходит автоматически и бессознательно, и гораздо более медленную, когда сознание, используя логическую аргументацию, выбирает из предложенных вариантов оптимальный.

Такое «медленное» мышление долгое время считалось присущим исключительно человеку. Однако новое исследование ученых из Питтсбурского университета опровергает этот факт.

Исследователи предложили обезьянам решить «задачу о рюкзаке». Она звучит так: вор пробрался в ювелирный магазин. У него есть довольно вместительный рюкзак. А в ювелирном магазине дорогие вещи, которые можно в него положить. Однако лямки рюкзака выдерживают четыре килограмма, не больше. Из ювелирных товаров вора привлекли три вещи: колье стоимостью 4 тысячи долларов и весом четыре килограмма, кольцо за 2,5 тысячи долларов, весящее один килограмм, и подвеска за 2 тысячи долларов, которая весит три килограмма. Нужно выбрать вещи наибольшей общей стоимости и не забывать про ненадежные лямки рюкзака. Эта задача хорошо знакома программистам, изучавшим динамическое программирование. Компьютерные технологии позволяют решить эту задачу для разнообразного количества предметов и рюкзаков различной вместительности. Ведь задача кажется простой, потому что из трех вещей можно составить всего восемь комбинаций, но стоит добавить один предмет 一 и их станет 16, а для пяти вещей комбинаций будет уже 32.

В эксперименте участвовали два самца макак-резусов (Macaca mulatta). Исследователи адаптировали для них «задачу о рюкзаке». В качестве предметов они использовали 11 изображений, каждое из которых связывали с определенным количеством угощения 一 таким образом для обезьян создавали ценность объекта. Затем с помощью сенсорного планшета ученые им показывали случайную комбинацию пяти изображений. Когда макака сделала выбор, картинка подсвечивалась, а виртуальный рюкзак внизу экрана заполнялся. Животных награждали в зависимости от ценности предложенных решений.

Ученые обнаружили, что результативность и время размышления зависело от сложности задачи, а также что решения обезьян полностью совпадали с ответами, которые дал компьютерный алгоритм, созданный специально для подобных задач.

«Результаты этой работы проливают свет на столетия дискуссий о теориях дуального мышления, структуре мыслей и нейробиологической основе интуиции и рассуждений», — рассказал Уильям Штауффер, ведущий автор исследования из Медицинской школы Университета Питтсбурга.

[ArefievPV]

Владение тоновым языком облегчило распознавание мелодий
https://nplus1.ru/news/2023/04/28/tonal-language
При этом носители тоновых языков хуже различают ритм

Родной язык влияет на восприятие музыки: владение тональным языком способствует лучшему различению похожих мелодий, а владение нетональным языком помогает лучше распознавать ритм. Результаты метаанализа 20 исследований и эксперимента с 459066 участниками опубликованы в Current Biology.

Тональные (тоновые) языки, распространенные в Юго-Восточной Азии (например, китайский или вьетнамский), отличаются использованием высоты звука для указания смысла слова. В таких языках как русский или английский могут использоваться интонации, но, в отличие от тональных языков, интонации распространяются на большой отрезок предложения, а не показывают значение одного конкретного слова. Прошлые исследования показывают, что язык имеет большое влияние на мышление и восприятие: от социальных норм и стереотипов до зрительного восприятия предметов. Однако изучение того, насколько родной язык связан со способностью воспринимать музыку, пока дает противоречивые результаты.

Исследователи из Новый Зеландии и США под руководством Цзинсюань Ли (Jingxuan Li) из бизнес-школы Колумбийского университета решили проверить, влияет ли владение тоновым языком на обработку и восприятие музыки. Для этого авторы провели метаанализ 20 прошлых исследований, а затем провели собственный эксперимент, в котором приняло участие 459066 человек.

На первом этапе авторы сгруппировали проведенные ранее исследования влияния языка на обработку музыки, выделив как категории мелодию, высоту голоса и ритм. Для каждой категории они провели метаанализ. Размер эффекта показал преимущество носителей тоновых языков в различении схожих мелодий. Других отличий авторы не обнаружили, однако отметили, что большинство людей в выборках владели самыми распространенными языками (китайский, английский), а значит результаты нельзя распространить на другие языки. Кроме того, выборки были достаточно маленькими, что не дает делать значимые выводы.

Во втором этапе исследователи провели эксперимент, собрав данные людей из 203 стран и получив информацию по 19 тональным языкам, 6 языкам с музыкальным ударением и 29 нетональным языкам. Участники проходили три задания, которые измеряли способность различать похожие мелодии, находить несоответствие вокала музыке и рассинхронизацию между клик-треком и песней.

Анализ выявил преимущество носителей тоновых языков в способности различать схожие мелодии (p < 0,001). Это подтвердило результаты метаанализа и показало, что разница сохраняется и при сравнении других языков, помимо китайского и английского. Различий же в восприятии вокала авторы не обнаружили. В свою очередь, носители нетональных языков лучше улавливали несоответствие клик-трека песне. Метаанализ таких различий не выявил.

Таким образом, учтя недостатки прошлых исследований, такие как маленькая выборка и малое количество языков для сравнения, авторы показали, что язык действительно влияет на восприятие музыки: носители тоновых языков лучше различают мелодии, но хуже распознают ритм.

Исследователи изучают и то, как иностранный язык влияет на мышление. Так, американские психологи обнаружили, что использование иностранного языка снижает эмоциональность при решении этических проблем. А другая группа психологов показала, что размышления на неродном языке заставляют людей фокусироваться на последствиях поступков окружающих, а не на их намерениях.

[ArefievPV]

Реакция на обонятельные стимулы предсказала восстановление сознания
https://nplus1.ru/news/2023/06/08/olfactory-response-sign-of-consciousness
У больных в вегетативном состоянии и с синдромом минимального сознания

Наличие двигательных реакций на обонятельные стимулы при различных синдромах отключения сознания ассоциировано с его лучшим последующим восстановлением. Согласно результатам исследования китайских ученых, опубликованным в журнале Frontiers in Neuroscience, у людей без реакции на запахи в головном на электроэнцефалограмме отмечался более высокий взвешенный индекс фазового запаздывания в тета-диапазоне.

Тяжелые травмы головного мозга могут привести к различным стадиям отключения сознания, таким как кома, вегетативное состояние, состояние минимального сознания и выход из него. Эти стадии отличаются по двигательным и речевым реакциям пациента на внешние сенсорные раздражители: болевые, звуковые, зрительные. Так, пациенты в вегетативном состоянии не чувствительны к внешним раздражителям и не осознают себя и свое окружение, а у людей с минимальным сознанием могут наблюдаться не стойкие признаки целенаправленного поведения в ответ на раздражители. Однако непонятно, насколько обонятельные стимулы подходят для поведенческой оценки сознания.

Несколько предыдущих исследований показывали разные результаты обработки корой обонятельной информации, которую оценивали с помощью ЭЭГ, а в одном исследовании их применяли для оценки сознания у больных с разной степенью его отключения. Поэтому Цю Ю Се (Qiuyou Xie) с коллегами из Южного медицинского университета изучил, насколько реакция на обонятельные стимулы может прогнозировать восстановление сознания. Для этого они включили в исследование 28 человек с разными синдромами отключения сознания: у 13 пациентов диагностировали вегетативное состояние, а у 15 — синдром минимального сознания.

Всем участникам подносили к носу (на расстоянии около двух сантиметров) вату, пропитанную ванилином, каприновой кислотой (ей пахнут козы), и сухую вату. Пациентам случайным образом давали вату с разным запахом и контрольную вату примерно на пять секунд. Каждое представление повторялось примерно пять раз с интервалом в 30 секунд в виде блока, интервал между блоками составлял около двух минут. Всем пациентам параллельно с предоставлением стимула снимали ЭЭГ.

Наличие реакции оценивалось с помощью шкалы расстройств сознания. Ученые разделили участников на две группы: которые реагировали на обонятельные стимулы (общая реакция на стимулы с двумя одорантами, или общая реакция на один стимул, или локальная реакция на один стимул), и которые не реагировали. Пациенты находились под наблюдением в течение трех месяцев.

Обе группы пациентов существенно не различались по возрасту, полу, причине заболевания или времени с момента травмы. Всего у 16 пациентов врачи зарегистрировали реакцию на обонятельные стимулы: у четырех пациентов в вегетативном состоянии и у 12 с синдромом минимального сознания. У 15 человек была реакция на приятный запах ванилина, у 12 — на неприятный, у двух — на чистую вату, а у 11 — на оба вида раздражителя. Врачи нашли достоверную связь между наличием реакции и уровнем сознания (р = 0,020).

Через три месяца у 10 из 16 пациентов с реакцией на запахи (62,5 процента) восстановились отдельные функции сознания по сравнению с 16,7 процента (2 из 12 пациентов) в группе без реакции на запахи (р = 0,023). В группе без реакции врачи отметили у пациентов высокий взвешенный индекс фазового запаздывания (wPLI) в тета-диапазоне в центрально-теменной области.

Таким образом, ученые подтвердили свою гипотезу о том, что обонятельную реакцию можно считать сознательным поведением, и, следовательно, ее можно рассматривать как маркер сознания у людей с синдромами его отключения.

О том, что современная наука думает насчет сознания, и какие новые теории пытаются объяснить его суть, можно прочитать в книге нейробиолога Анила Сета «Быть собой: новая теория сознания».

[ArefievPV]

О том, что современная наука думает насчет сознания, и какие новые теории пытаются объяснить его суть, можно прочитать в книге нейробиолога Анила Сета «Быть собой: новая теория сознания».

По последней ссылке приведу несколько цитат:

В книге «Быть собой: новая теория сознания» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Марией Десятовой, нейробиолог Анил Сет рассказывает, что науке известно о том, как устроено наше сознание, и выдвигает собственную теорию. По его мнению, мы формируем представление о мире на основе прогнозов мозга, которые ежесекундно корректируются. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным идее о том, что восприятие — это результат предсказаний мозга насчет источников сигналов, которые улавливают наши органы чувств.

И хотя кажется, будто мои органы чувств служат прозрачными окнами в независимую от сознания реальность, а восприятие — это процесс «считывания и вывода» сенсорных данных, на самом деле, я убежден, происходит нечто совсем иное. Восприятие устремлено не снизу вверх или извне внутрь, оно движется преимущественно сверху вниз или изнутри наружу.

Наш чувственный опыт строится на прогнозах мозга или «наиболее вероятных предположениях» о причинах и источниках сенсорных сигналов. Как и в случае с коперниканской революцией, это представление о восприятии как о нисходящем процессе, согласуясь со значительной частью имеющихся свидетельств, мало что меняет в видимом мире, однако на самом деле оно меняет все.

Оставшуюся половину века идея восприятия как умозаключения то завоевывала популярность, то отступала в тень, пока где-то в прошлом десятилетии не обрела новое дыхание. Родилась целая плеяда теорий, объединенная названиями «предиктивное кодирование» и «предиктивная обработка»: у каждой имеются свои отличительные особенности, но всех их роднит между собой предположение, что восприятие обусловливается теми или иными умозаключениями, делающимися в мозге.

Мою собственную интерпретацию бессмертной идеи Гельмгольца и ее современных воплощений точнее всего отражает представление о восприятии как о контролируемой галлюцинации — термин, который я впервые услышал много лет назад от британского психолога Криса Фрита.

Основные постулаты теории контролируемой галлюцинации в моей трактовке я сейчас перечислю.

Во-первых, мозг постоянно строит предсказания насчет источников поступающих к нему сенсорных сигналов, и эти предсказания устремляются каскадом сверху вниз по иерархической лестнице его систем восприятия (серые стрелки на рис. 4). Если вы смотрите на чашку кофе, ваша зрительная кора будет формулировать прогнозы об источнике сенсорных сигналов, поступающих от этой чашки.


Во-вторых, сенсорные сигналы, устремленные к мозгу снизу вверх или извне внутрь, полезным образом поддерживают привязку этих перцептивных прогнозов к их источникам (в данном случае к чашке кофе). Эти сигналы служат ошибками предсказания, обозначающими разницу между ожиданиями мозга и тем, что он получает на каждом уровне обработки данных. Корректируя нисходящие прогнозы так, чтобы они подавляли восходящие ошибки предсказания, наиболее вероятные перцептивные предположения мозга сохраняют связь со своими источниками во
внешнем мире. С этой точки зрения восприятие представляет собой непрерывный процесс минимизации ошибок предсказания.

Третий и самый важный компонент теории контролируемой галлюцинации — это утверждение, что перцептивный опыт (в данном случае субъективный опыт «видения чашки кофе») определяется содержанием нисходящих предсказаний, а не восходящих сенсорных сигналов.

Мы никогда не «испытываем» сами сенсорные сигналы, мы испытываем только их интерпретацию.

Смешайте эти три составляющие — получится коперниканский переворот в области представлений о восприятии. Нам кажется, что органы чувств раскрывают окружающий мир перед нашим сознательным разумом таким, какой он есть. С такими установками вполне закономерно считать восприятие процессом восходящего распознавания признаков — «считывания» окружающей нас действительности. На самом же деле мы воспринимаем нисходящую, направленную изнутри наружу нейронную фантазию, которую реальность просто обуздывает, а не смотрим на какую бы то ни было реальность сквозь прозрачное окно.

И «нормальное» восприятие, и «ненормальные» галлюцинации включают в себя порождаемые чем-то внутри нас прогнозы относительно источников входящих сенсорных данных, и обе разновидности образуются одним и тем же комплектом основных механизмов в мозге. Разница лишь в том, что при «нормальном» восприятии воспринимаемое связано с источниками в реальном мире и контролируется ими, а в случае галлюцинаций восприятие в той или иной степени теряет связь с этими источниками. При галлюцинациях наши перцептивные прогнозы не обновляются должным образом с учетом ошибок прогнозирования.

Если восприятие — это контролируемая галлюцинация, то галлюцинацию по аналогии можно считать неконтролируемым восприятием. Они отличаются, но искать границу между ними — это все равно что искать границу между днем и ночью.

[ArefievPV]

Дубынин о мозге: взаимодействие мозга, иммунитета и эндокринной сферы

Нейроиммуноэндокринное взаимодействие.

Откуда в организм "заползает" депрессия?
Почему при диагностике депрессии важно проверить работу щитовидной железы?
Почему говорят, что плод во время беременности похож на трансплантант?
С какими вопросами обязательно нужно разобраться, если вас интересует тема работы мозга?

[ArefievPV]

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 266: геометрия мозга против коннектома
http://neuronovosti.ru/nejronauki-v-science-i-nature-vypusk-266-geometriya-mozga-protiv-konnektoma/
Классическая нейробиологическая теория о влиянии коннектома на функции мозга предполагает, что динамика нейронов зависит от взаимодействия между специализированными нейронными пулами, связанными сложной сетью аксонов. Однако другая теория – теория нейронного поля, которая используется в моделировании активности целого мозга – предполагает, что геометрия мозга может иметь более фундаментальное значение. Результаты нового исследования, опубликованного в журнале Nature, бросают вызов преобладающим взглядам и выявляют недооцененную роль геометрии в формировании функций мозга.

Единичные нейроны представляют собой небольшие динамические системы. Их состояние может меняться во времени и в зависимости от определенного оказываемого на них воздействия. Главная особенность этих клеток состоит в их способности к электрическому возбуждению и к передаче его своим соседям. Понимая механизм возбуждения нейронов, можно описать поведение отдельных единиц нервной системы и, более того, предсказывать его.

Соединяясь между собой и формируя мосты для передачи возбуждения, единичные нейроны складываются в пулы – крупные динамические системы, предсказание поведения которых представляет собой уже на порядок более сложную задачу (хотя бы потому, что сложно собрать все факторы, влияющие на их динамику).

Эти пулы также связываются между собой, передают возбуждение своим соседям, и система становится еще сложнее. Электрическая активность совокупности нейронных пулов на уровне целого мозга проявляется в виде ритмических колебаний электрического потенциала (brain rhythms) и распространяется волнами.

Характерная особенность динамики коры головного мозга состоит в том, что ее параметры меняются в зависимости от определенного внешнего влияния, процессов, протекающих внутри организма, или когнитивной деятельности. О влиянии этих процессов на активность головного мозга можно судить по изменению пространственно-временных паттернов динамики пулов нейронов. Изменение электрического поля, которое создается множеством нейронов, можно успешно регистрировать и визуализировать, например, методами ЭЭГ, фМРТ и др. Эти методы используются для картирования функций мозга и позволяют отслеживать влияние какого-либо фактора на активность мозга. Из этой информации, согласно классическому представлению о работе мозга (описывается ниже), строятся гипотезы о том, что за определенную функцию отвечает какой-то конкретный пул нейронов.

Открытие механизмов возбуждения нейронов, безусловно, дало четкое представление о поведении отдельных единиц нервной системы, но все же до сих пор остается непонятным, какой фундаментальный принцип лежит в основе динамики большого количества нейронов, в том числе на уровне целого мозга.

Классическая точка зрения, которая доминирует в исследованиях мозга сегодня, гласит, что комплексную деятельность мозга определяет сложная сеть связей между его частями. Предполагается, что определенная деятельность человека вызывает изменение активности его мозга строго в определенных зонах. Так, при движении можно уловить изменяющуюся активность мозга над моторной корой; речь ассоциируется со специфической активностью височных долей; обработка зрительной информации – в затылочной области и пр. Между этими областями также существует сложная структурная связь, объединяющая все части мозга для обмена информацией друг с другом. За счет этого обеспечивается внутренняя обратная связь, необходимая для слаженной работы всех структур. Эти связи образованны аксонами нейронов. Учитывая, что головной мозг, по теоретическим расчетам, состоит из биллиона (у нас принято обозначение миллиард, соответственно, миллиардов прим. моё) нейронов, количество связей между ними достигает триллиона (триллионов, прим. моё). Совокупность этих связей принято называть коннектомом. Так вот, согласно этой точке зрения, пространственные паттерны динамики мозга (специфическая активность) возникают в результате взаимодействия между его отдельными, функционально специализированными областями, связанными топологически сложным массивом ближних и дальних аксональных связей. Однако рассматриваемый подход напрямую не учитывает физические свойства мозга, его геометрию и топологию.

Принцип суперпозиции волн предполагает, что в линейных средах каждая распространяющаяся волна не изменяет свойства среды, а последующая волна пробегает в тех же условиях, что и первая. В связи с этим результирующую волну, проходящую в среде, можно рассчитывать как сумму всех распространяющихся в среде волн. Линейные среды – среды, для которых предполагается наличие прямо пропорциональной связи между внешним воздействием и соответствующими изменениями состояния этой среды.

Эти же характеристики включены в базу другой точки зрения. В широком классе теорий нейронного поля (neural field theories, NFTs) корковая активность рассматривается как суперпозиция волн, распространяющихся через физически непрерывный слой нервной ткани.

Правило экспоненциального расстояния (exponential distance rule, EDR) для связности – правило, которое описывает прогностическую связь между расстоянием и силой связи. Веса соединений экспоненциально затухают с расстоянием, падая на несколько порядков в диапазоне длин соединений. Вес соединения (термин из моделирования) – значение, которое понимается как, условно говоря, важность проходящего через соединение сигнала. 

Здесь модель взаимодействия между отдельными областями коры заменяется на более простую модель некоего однородного пространственного ядра, из которого исходит активность, уменьшающаяся по правилу экспоненциального расстояния для связности.

То есть чем дальше от этого ядра место регистрации активности, тем более рассеянной она становится.

Ключевое предсказание NFT заключается в том, что внутренняя геометрия мозга физически формирует и накладывает ограничения на возникающую динамику совокупности нейронов. Интересное и привлекательное следствие из этого – если отдавать предпочтение пространственным и физическим ограничениям анатомии мозга, то в таком случае, чтобы понять пространственно-структурную активность мозга, нужно учитывать только форму мозга, а не его полный набор связей.

В различных областях физики и техники структурные ограничения, влияющие на динамику системы, описываются через понятие о модах системы (eigenmodes). Эти моды представляют собой более фундаментальные пространственные паттерны, чем коннектом, и соответствуют естественным резонансным режимам системы. В таком случае полагается, что пространственно-временные паттерны динамики мозга возникают в результате возбуждения структурных мод мозга. Таким образом, эта точка зрения резко противопоставляется классической, которая утверждает, что сложные паттерны мозговой активности формируются из-за анатомической связи между отделами мозга.

Сравнить эти две точки зрения взялись исследователи из Института мозга и психического здоровья имени Тернера (Австралия). В своей работе, опубликованной в Nature, они предлагают новый подход, согласно которому функции мозга могут объясняться именно его структурой. При этом ограничения, которые накладываются на функционал системы, воплощается в виде мод, полученных из геометрии мозга.

Описывая свой подход, авторы сравнивают моды со скрипичными струнами, резонансные частоты которых длиной, плотностью и натяжением. Точно так же моды мозга, по мнению исследователей, определяются его структурными — физическими, геометрическими и анатомическими — свойствами. Однако не известно, вносят ли какие-либо из этих специфических структурных свойств доминирующий вклад в динамику мозга.

Чтобы сравнить эти две точки зрения, авторы проверили, насколько легко традиционная дискретная точка зрения и непрерывная, основанная на представлении о волнах, смогут объяснить динамику на более 10 000 разных карт активности мозга. Карты взяты из общей базы, включающей тысячи экспериментов с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ), когда люди выполняли широкий спектр когнитивных, эмоциональных, сенсорных и двигательных задач. Исследователи попытались описать каждую карту активности, используя моды коры головного мозга, основанные на его связности, и моды, основанные на его форме.

Для подтверждения того, что тесная связь между формой мозга и его функциями обусловлена волнообразной активностью, распространяющейся по всему мозгу, исследователи использовали простую волновую модель, которая использует только форму мозга, чтобы ограничить эволюцию волн во времени и пространстве.

В результате, как сообщают авторы, эта модель объяснила активность мозга лучше, чем более сложная современная модель, основанная на коннектомах, которая пытается уловить ключевые физиологические детали активности нейронов и сложную схему связи между различными областями мозга. Исследователи показали, что структурные моды, полученные из геометрии мозга, обеспечили более компактное и точное представление о его макромасштабной активности.

Также исследователи обнаружили, что большинство из 10 000 различных карт мозга, которые они изучили, были связаны с паттернами активности, охватывающими почти весь мозг.

Эти результаты противоречат классической нейробиологической парадигме, которая предполагает, что активность во время выполнения задач происходит в дискретных областях мозга.

Сравнение геометрических мод с другими анатомическими (моды коннектома и EDR) и статистическими (рассчитанными с помощью анализа главных компонент и метода Фурье) базисными наборами показывают, что превосходная производительность геометрических мод в контексте захвата макромасштабной активности коры головного мозга не обусловлена просто общими математическими свойствами расширения базисного набора. Скорее этот результат, по мнению авторов, указывает на то, что геометрия представляет собой фундаментальное анатомическое ограничение динамики.

Производительность мод коннектома, по результатам исследования, оказалась сравнительно низкой. Это может указывать на то, что топологически сложные соединения, которые существуют за пределами простого правила экспоненциального расстояния, приносят минимальную дополнительную пользу в получении мод, которые могут точно объяснить пространственно-временные паттерны активности коры, измеренные с помощью фМРТ.

Авторы утверждают, что их подход согласуется со строго установленными результатами физики и инженерии, согласно которым возмущения пространственно непрерывных систем вызывают общесистемные реакции. Аналогично, музыкальные ноты скрипичной струны возникают в результате вибраций по всей ее длине, а не в результате поведения ограниченного сегмента струны.

Использование геометрических мод показало, что активность мозга при выполнении задания была связана преимущественно с возбуждением мод с длиной волны примерно 60 мм и более. Этот результат совпадает с аналогичными наблюдениями длинноволновых возбуждений в эмпирической ЭЭГ и предполагает, что классический анализ, основанный на пороговой обработке точечных статистических карт, скрывает пространственно протяженные и сложные паттерны активности, фактически вызванные задачей.

Тем не менее, хотя полученные исследователями результаты, по их собственному выражению, не могут исключить вклад сложной межрегиональной связи в генерацию пространственно-временных паттернов мозга, они указывают на то, что такая связь не является необходимой для возникновения этой макромасштабной динамики.

Авторы утверждают, что в неврологии вместо описанного ими подхода используются типичные методы картирования мозга, которые для количественной оценки мозговой активности полагаются на сложные статистические расчеты. При этом физические и анатомические основы генерации паттернов активности мозга не берутся в расчет. Поэтому традиционные подходы к картированию мозга способны выявить только верхушку айсберга в понимании того, как работает мозг. Напротив, использование геометрических мод предполагает использование физических принципов для понимания того, как разнообразная активность возникает из анатомии мозга.

Авторы также выражают мнение о том, что существующие модели функционирования мозга нуждаются в обновлении. При этом упор должен быть сделан на том, как волны возбуждения проходят через мозг, а не на том, как сигналы проходят между отдельными областями.

P.S.Несколько ссылок (с цитатами) в дополнение:

Мозг хранит память в электрическом поле
https://www.nkj.ru/news/43568/

Постоянство памяти сохраняется постоянством электрического поля, которое возникает от меняющегося ансамбля работающих нейронов.
...
Авторы работы полагают, что постоянство памяти поддерживается как раз благодаря постоянству поля: какие именно нейроны будут задействованы, не так уж важно, один и тот же результат в смысле электрического поля можно достичь разными ансамблями клеток.

Мозг обрабатывает информацию с помощью волн
https://www.nkj.ru/news/43782/

Реакция нейрона на стимул зависит от того, под какую электрическую микроволну он попал.
...
Речь не о тех альфа-, бета-, гамма-волнах, которые мы измеряем с помощью электроэнцефалографии – они показывают общую картину работы мозга. Волны, возникающие в небольших нейронных сетях – это микроволны, они одновременно возникают в разных областях мозга и распространяются по нейронным сетям. Встречаясь, такие микроволны взаимодействуют друг с другом, и от того, как они провзаимодействуют, зависит активность отдельной клетки. Грубо говоря, если волны погасят друг друга, клетка промолчит в ответ на стимул, если волны усилят друг друга, клетка на тот же стимул отреагирует импульсом. Волновой подход даёт другой инструмент для анализа того, как мозг работает с информацией: нужно работать не с отдельными межнейронными контактами, а с волнами активности; соответственно, такой метод предполагает несколько иной математический аппарат.

Волны памяти, которые перемещаются
http://neuronovosti.ru/volny-pamyati-kotorye-peremeshhayutsya/

Ученые из MIT провели эксперимент, в котором оценивали нейрональную активность мозга обезьян при решении задачи на рабочую память. Ученые выяснили, что паттерн, или рисунок активности не стоит на месте. Он перемещается по мозгу, словно волны на воде. При этом направление, ротация и скорость перемещения зависят от типа нагрузки на рабочую память. Об этом – статья в журнале PLOS Computational Biology.
...
Но помимо того, что волна распространяется с течением времени, она еще и крутится в пространстве. Интересно, что крутящихся волн было значительно больше среди всех динамических. При этом, как оказалось, у каждой волны можно наблюдать предпочтительное направление движения. В ходе выполнения задачи на определенной ее стадии вероятность распространения волн в этих направлениях уменьшалась или увеличивалась.
...
Ориентация таких волн изменяется во время выполнения теста на рабочую память, сперва распространяется в две противоположные стороны, но организуясь в одном направлении при тестировании.
Ученые сделали предположение, что динамические волны могут быть связаны с поддержанием активности в нейрональных сетях рабочей памяти, позволяя им постоянно оставаться во включенном состоянии.