Нейронный код: компромисс

Профессор Рони Пас из Weizmann Institute of Science предполагает, что наш мозг подобен современным стиральным машинам – он разработан с учетом новейших сложных программ, но более уязвим для поломок и склонен к развитию дорогостоящих расстройств.

Профессор и группа исследователей недавно провели эксперименты, сравнивающие эффективность нейронного кода у приматов и человека, и обнаружили, что по мере того, как нейронный код становится более эффективным, надежность, предотвращающая ошибки, снижается. Их результаты, недавно появившиеся в Cell, могут помочь объяснить, почему такие расстройства, как синдром дефицита внимания и гиперактивности, беспокойство, депрессия, посттравматическое стрессовое расстройство и даже аутизм, распространены у людей.

Компромисс в человеческом мозге (вверху) и мозге обезьяны (внизу). Чем более эволюционно мы продвинулись, тем более эффективной и менее надежной оказалась каждая область. Источник: Weizmann Institute of Science

Профессор Рони Пас из Отдела нейробиологии Института говорит, что анатомические различия между людьми и другими приматами, в частности, состоят в том, что у людей большая префронтальная кора и расширенное число нейронов. Но различия в нейронном коде – «программном обеспечении» в отличие от «аппаратного обеспечения» (физической структуры) – не исследовались.

Равив Прилук, студент-исследователь в группе Паса, разработал способ тестирования и сравнения эффективности нейронного кода в нескольких областях мозга. «Мы определили эффективную связь как ту, которая использует наименьшее количество энергии для передачи максимальной информации – чтобы передать как можно более сложное сообщение с наименьшим количеством «слов», – говорит Прилук.

Исследователи зафиксировали электрическую активность отдельных нейронов как у людей, так и у макак-обезьян в двух областях мозга: префронтальной коре, где происходят более высокие функции, такие как принятие решений и рациональное мышление, и миндалине, эволюционно более древней области, ответственной за «борьбу или бегство» – основные функции выживания, а также эмоции. Пас и его группа работали в сотрудничестве с профессором Ицхаком Фридом из Медицинского центра Сураски в Тель-Авиве и Медицинской школы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Пациенты с фармакологически трудноизлечимой эпилепсией приезжают во Фрид, чтобы установить электроды для диагностических целей, и им предоставляют редкую возможность регистрировать электрическую активность отдельных нейронов в мозге человека. В этом исследовании также участвовали д-р Хагар Гелбард-Сагив из Тель-Авивского университета и д-р Йоав Кфир, как и студент-исследователь в группе Паз.

Результаты этого исследования подтвердили теорию эволюции мозга «стиральная машина»: нейронный код в «более развитой» префронтальной коре более эффективен, чем миндалина, как у людей, так и у обезьян. И нейронный код обеих областей человеческого мозга был более эффективным, чем его обезьяньи аналоги. Но чем выше эффективность конкретного нейронного кода, тем меньше он устойчив к ошибкам. Паз уподобляет миндалины барабану стиральной машины: «Он не очень сложный, но он менее подвержен ошибкам, что важно для выживания животных», – говорит он, добавляя: «Более низкая устойчивость миндалины человека к ошибкам может играют роль в преувеличенных реакциях, подобных выживанию, в неподходящих контекстах, таких как те, которые мы видим при ПТСР и других тревожных расстройствах».

Прилук: «Эволюция работает с компромиссами. Может быть игра с нулевой суммой между эффективностью и надежностью; и наш сложный, многомерный мозг приобрел один по цене другого». Фрид: «Сравнение одноклеточных записей мозга человека и обезьяны – большой шаг вперед к ответу на вопрос, что делает человеческий мозг уникальным». Пас добавляет: «Почему, с одной стороны, люди обладают такими превосходными способностями к обучению, когнитивным и адаптивным способностям, а с другой – склонностью к тревоге, депрессии и другим психическим заболеваниям? Мы показали, что это могут быть двумя сторонами одной и той же монеты. “

Raviv Pryluk, Yoav Kfir, Hagar Gelbard-Sagiv, Itzhak Fried, Rony Paz.

A Tradeoff in the Neural Code across Regions and Species.

Cell, 2019; DOI: 10.1016/j.cell.2018.12.032