Методичка по симптомам и синдромам. Оперхир.rar 2014 Экзаменнационные вопросы. НейронаукаКаК подКлючиться к мозгуГэри Стикс в мире науk и 02 февраль нейронаука

в мире науk и [02] февраль
нейронаука
ют нейроны или регистрируют идущие от них сигналы. Ли полагает, что это устройство поможет людям, страдающим от болезни Паркинсо- на или депрессии, позволит управлять протезом руки или даже вызывать сокращения мышц астронавтов вовремя длительных космических полетов для недопущения атрофии мышц при нулевой гравитации.
Как изучить язык
Реализация фантазии о загрузке в голову учебника по высшей математике (или даже разговорника по французскому языку перед отпуском) потребует гораздо более глубокого понимания мозговых сигналов, кодирующих языки другие высшие когнитивные явления.
Раскрытие нервного кода — один из главных вызовов нейронауке, а если перефразировать Фрейда, то это царская дорога к пониманию сознания. Теоретики выдвинули множество различных идей для объяснения того, как миллиарды нейронов передают сообщения через триллионы связывающих их синапсов. Согласно самой старой из них, код состоит из частоты разряда электрических импульсов, генерируемых нейронами.
Несмотря на то что частотный код может годиться для восприятия некоторых стимулов, его недостаточно для загрузки в мозг произведений Марселя Пруста или Ричарда Фейнмана, а также для создания мысленного экрана, на котором бы отображалось печенье «Мадлен» из романа По направлению к Свану или концептуальная абстракция из учебника по дифференциальному исчислению. В более современных работах внимание уделяется точному измерению временных интервалов между всеми спайками (временной код) или же непрерывно меняющимся паттер- нам совместного разряда групп нейронов (популяционный код) (врезка на стр. Попытки создать искусственный гиппокамп для людей с потерей памяти позволят несколько приблизить возможность такой загрузки в мозг. Эта работа должна помочь исследователям понять сам процесс кодирования. Сотрудничество между Университетом Южной Калифорнии и Уэйк-Форестским университетом направлено как раз на создание такой замены для нервной структуры, ответственной за формирование памяти. Гиппокамп, расположенный глубоко внутри височной доли, повреждается при инсульте и при болезни Альцгеймера. Электронное устройство, работающее вместо гиппокампа, могло бы восстановить у человека способность запоминать новую информацию. Данный проект, финансируемый Национальным научным фондом США и Управлением перспективного планирования оборонных научно-иссле- довательских работ (DARPA), может продвинуться даже дальше и обеспечить усиление нормальной памяти человека или же помочь разобраться с нервным кодированием когнитивных функций высокого уровня.
Две группы ученых, возглавляемые Теодором Бергером (Theodore W.
Berger) в Университете Южной Калифорнии и Самуэлем Дедвайлером
(Samuel Deadwyler) в Уэйк-Форест- ском университете, готовят к печати статью, демонстрирующую способность искусственного гиппокампа вместо настоящего выполнять работу по консолидации памяти крысы, которую обучали нажимать на рычаг ради получения капли воды. В норме r
o b
e r
t l
e e
b l
ab or at or y of b
ra in
-c om pu te r i nt er fa ce s,
in st itu te fo r k no w
le dg e
D
is co ve ry
, G
ra z
U
ni ve rs ity o
f t ec hn ol og y
(m an in w
he el ch ai r)
; c
o
U
r t
e s
y o
f m
oto r
l a
b
, U
n iv e
r s
it y
o f
p it t
s b
U
r
G
h s
c h
o o
l o
f m
e
D
ic in e
(p ro st he si s ex pe ri m
en t s er ie Парализованный человек, прикованный к креслу, может перемещаться по виртуальной улице с помощью электрических волн мозга, регистрируемых электродной шапочкой гиппокамп посылает сигналы, которые передаются в кортикальные области, ответственные за хранение долговременной памяти. В данном эксперименте гиппокамп крысы временно отключали с помощью химического вещества. Когда животное нажимало на правильный рычаг, электрический сигнал от сенсорной и других областей коры направлялся на электронную схему, которая, как заявляют исследователи, посылала обратно в кору точно такие же сигналы, которые в данном случае генерировал бы и сам гиппокамп. Демонстрация того, что искусственное устройство имитировало гиппо- кампальный выходной сигнал, означала бы важный шаг к расшифровке нервного кода, который мог бы быть использован для записи памяти в моторную кору возможно, это позволило бы когда-нибудь разгадать и те коды, которые лежат в основе сложного поведения.
Если бы удалось разобраться стем, как кодируется предложение или целый технический документ, тов теории появилась бы возможность передавать их в гиппокамп (или в кору) по электродами сцена из Матрицы, когда инструкция по управлению вертолетом была загружена в мозг с помощью сотового телефона, стала бы реальностью. Американское министерство обороны предпочита-

в мире науk и [02] февраль 2009
нейронаука
ет более прозаический пример — руководство по управлению истребителем говорит Бергер.
Кажущаяся простота модели передачи сигналов в исследованиях, подобных упомянутому выше созданию искусственного гиппо- кампа, рождает больше вопросов, чем ответов. Не будет ли такой им- плант стирать уже имеющуюся у человека память Будет ли код для определенного предложения одинаковым для меня, для вас иска- жем, для человека, говорящего на курдском языке Сможет ли введенный код легко объединиться с другими сетями, обеспечивающими соответствующий контекст, семантическую структуру предложения Не произойдет ли ошибочная интерпретация этих же слов в ка- ком-то другом значении?
Некоторые нейробиологи полагают, что язык мозга не удастся разгадать до тех пор, пока мы не придумаем что-нибудь совершеннее, чем регистрация нейронных спайков. Эксперименты с регистрацией множества сигналов и следующими за ней попытками разобраться, что эти сигналы означают и как они коррелируют с конкретными видами поведения, не решат данной проблемы, — замечает Генри Маркрам (Henry
Markram), директор отдела нейро- науки технологий в Швейцарском федеральном технологическом институте в Лозанне. Каждый входной сигнал, поступающий на нейрон или их группу, рождает некоторое определенное следствие, например превращение сенсорных сигналов в долговременную память в гиппокампе, действуя по множеству разных путей. А раз существуют различные пути, значит, мы еще очень далеки от их понимания, — говорит он.
Проект Blue Brain Project, возглавляемый Маркрамом, представляет собой стартовавшую в 2005 г. попытку имитировать с помощью суперком- пьютера работу мозга на молекулярном и клеточном уровнях. Для начала предусматривается создание модели более простого мозга крысы, и лишь после этого — человека. К решению второй задачи можно будет приступить лишь после появления вычислительных систем, мощность которых будет в 1 тыс. раз выше, чему существующих на сегодняшний день суперкомпьютеров. Я думаю, что произойдет концептуальный прорыв, — говорит Маркрам.
Трудность, заключающаяся вне- знании механизмов передачи информации в мозг, накладывает ограничение на то, насколько далеко сможет продвинуться нейротехно- логия. Задача формирования множества связей, составляющих память, разительно отличается от намагничивания группы битов на жестком диске. Сложная информация такого типа, как содержание книги, потребует взаимодействия большого количества клеток мозга в масштабных областях нервной системы, — замечает нейробиолог Джон Донахью (John P. Donoghue) из Университета Брауна. — Следовательно, вы не сможете адресоваться к каждой из них, заставляя хранить необходимую информацию. В пределах современных знаний это совершенно невозможно o
r
G
e r
e t
s e
c k
КаК загрузить теКст в нейроны
Для того чтобы понять механизм загрузки Войны и мира или какой-либо другой информации высокого уровня прямо в мозг, нужно обратиться к самым продвинутым исследованиям в ней- робиологии. Ученые изучают способы подсоединения компьютеров и протезов непосредственно к мозгу и стремятся понять нейронный код мозга — как он преобразует входящие сигналы в поведение, например в движение рукой или в речь. Удастся ли преодолеть препятствия на пути к созданию устройств, вводящих информацию прямо в мозг, пока совершенно неизвестно Подключиться к нервным клеткам очень непросто электрические проводники могут легко сдвигаться с нужного места, разрушаться и даже вызывать инфекцию. Для осуществления такой задачи, как ввод информации в гиппокамп — нервную структуру, помогающую формировать память, системы электродов должны обрести более высокую степень пространственного и временного разрешения
ЧаСтОтНый кОД
Природа нейронного кода — тема непрекра- рирода нейронного кода — тема непрекращающихся исследований и споров. Раньше всего появилось представление о частотном коде, в основе которого лежит среднее число спайков в разряде нейрона за некоторый интервал времени, например за 100 мс ВРеМеННОй кОД
Недавно нейробиологи обратили внимание на временной код, в котором приобретает значение время между отдельными спайками, что позволяет кодировать больше информации, чем в случае простого частотного кода кода
ПОПУляциОННый кОД
В наиболее продвинутых исследовани- наиболее продвинутых исследованиях изучается популяционный код — паттерн активности, меняющийся как в пространстве, таки во времени при разряде группы нейронов Графическое изображение разряда группы нейронов показано слева слева
ВиДы НейРОННОГО кОДа как ПОДклюЧитьСя к НейРОНаМ
100 мс
Электроды
Полученный нервный код
Матрица электродов
Гиппокамп

в мире науk и [02] февраль
нейронаука
Так что запись информации прямо в мозг может остаться лишь мечтой, затерявшейся где-то в кибер- пространстве. Однако это не лишает Донахью оптимизма в отношении других способов передачи информации и создания управляемых протезов. Он — лидер в исследованиях по имплантации матриц из множества электродов в мозг, что позволяет осуществлять прямое управление протезом руки и даже инвалидным креслом.
Донахью предсказывает, что через пять лет интерфейсы мозг-машина позволят парализованному больному поднять чашку и попить из нее, а в более удаленном будущем такие системы, возможно, улучшатся настолько, что человек с поражением верхней части спинного мозга сможет совершать немыслимое, например играть в баскетбол, воплощая в реальность события из телесериалах гг. Человек на шесть миллионов долларов (The Six Million
Dollar Man). Даже без канала передачи информации в мозг инвалиды и исследователи пожнут богатые плоды этого более простого подхода.
Герт Пфуртшеллер (Gert Pfurtscheller) из Технологического университета Граца в Австрии сообщил в прошлом году о том, что пациент с травмой спинного мозга мог с помощью одной лишь силы мысли путешествовать по виртуальной улице. Мигель Ни- коледис (Miguel A. L. Nicolelis) из Университета Дьюка, еще один первопроходец в области интерфейса мозг-машина, начал изучать то, как у обезьян, соединенных с искусственным устройством, которым управляет мозг, развивается кинестетическое самоосознание, чувство движения и прикосновения, полностью отделенное от сенсорного входа их биологического тела. Есть некоторые физиологические свидетельства того, что вовремя эксперимента они ощущают себя более тесно связанными с роботом, чем со своим собственным телом, — говорит уче- ный.
Самое важное следствие таких исследований может состоять отнюдь не в создании нейроимплантов или механических рук. Понимание про-
ДоПолнительная литература toward replacement parts for the brain: implantable biomimetic electronics as neural prostheses. edited by theodore
W. berger and Dennis l. Glanzman. mit press, 2005.
n the forgotten era of brain chips. John horgan in scientific american, vol. 293, no. 4, pages 66–73; october 2005.
n the singularity is near: When humans transcend biology. ray kurzweil. penguin books, 2007.
цессов, происходящих в центральной нервной системе, возможно, позволит усовершенствовать методики обучения детей и лучше определять, в какой момент применять ту или иную педагогическую технику. Если это так, то исследования нейроимплан- тов и компьютерных моделей мозга дадут более важные практические результаты, чем мечты об использовании мозга в качестве флэш-диска, позаимствованные из научно-фан- тастической литературы XX в. Перевод Б.В. Чернышев искусственный гиппокамп, который разрабатывают в настоящее время для помощи людям с потерей памяти, может быть применен и для разгадывания кода, используемого мозгом для внутреннего представления такой информации высокого уровня, как слова и предложения. Звучащее предложение может быть переведено в нейронный код и сохранено на компьютере
ПРиМеНеНие В БУДУщеМ
Полученный нервный код
Нейронный код для определенной фразы можно затем передать по проводному или беспроводному соединению на специальные имплантированные электроды, которые позволят направить информацию в гиппокамп и сохранить в определенных областях коры. Однако неизвестно, будет ли когда-нибудь работать такой канал передачи информации искусственный гиппокамп
Гиппокамп
Матрица электродов