Связывание нейронных сетей. Оптогенетика.

Одно из важнейших предназначений работ по изменению памяти — лечение такого явления, как посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР). Этим тяжёлым психическим расстройством страдают люди, побывавшие один или несколько раз в тяжёлых ситуациях, травмировавших их психику. Типичные примеры — военные, имеющие опыт серьёзных боевых действий, жертвы катастроф или изнасилований. Яркие симптомы ПТСР —

высокая тревожность,
кошмарные сны,
состояние подавленности

— могут сохраняться как минимум месяц после травмирующего события, а могут и беспокоить человека всю жизнь. Такой вот несмешной парадокс получается: чтобы избавить от мучений собратьев по разуму, приходится медикам мучить подопытных зверей.

Чудеса оптогенетики

Пока технологии манипуляций с памятью имеют мало общего с лёгкостью и простотой, с которыми подобные операции производятся в фантастике.

Большинство экспериментов над памятью проводятся при помощи оптогенетики — особого метода управления мозгом живого существа при помощи света. В этом специалистам помогают особые светочувствительные белки-родопсины. Чтобы в организмах подопытных животных появились эти вещества, учёные предварительно вводят в мозг мышей при помощи инъекций специальные вирусы, которые заставляют организм животных самостоятельно производить родопсины.

Польза родопсинов заключается в двух свойствах.

Во-первых, синтез этих белков можно "настроить" так, чтобы ими избранно "помечались" только нейроны, отвечающие за формирование и хранение конкретного воспоминания.
Во-вторых, если посветить на "заражённые" родопсинами нейроны синим светом, можно их "активировать" — и манипулировать воспоминаниями так, как заблагорассудится.

Процесс сам по себе достаточно непростой и громоздкий. Плюс, чтобы технология работала, подопытным нужно дополнительно провести операцию: сделать отверстие в черепе и внедрить в мозг оптоволокно, передающее световое излучение. И, хотя мыши с электроникой в голове могут передвигаться без особых затруднений, понятно, что с человеком такое в лечебных целях навряд ли будет проделываться.

Стоит, пожалуй, отметить и то, что мышиная память устроена намного более примитивно, чем наша, поэтому внушить грызунам какое-то ложное воспоминание легче, чем человеку: в нашем мозге придётся дольше "копаться", чтобы найти необходимый участок памяти, который требуется подвергнуть изменению. Да и сам по себе мозг человека — структура более массивная и громоздкая, чем мозг мыши, что также создаёт дополнительные сложности.

"Конечно, для человека это не годится. Потому что, во-первых, нам нужно вставлять это оптоволокно, которое будет светить в мозг. И если так светить на обычного человека, не модифицированного, то ничего не произойдёт. <…> И там, когда у мышей вмешивались, воздействовали как раз на одну из узловых частей системы. А у нас эта узловая часть системы в глубине мозга сидит, туда чтобы пролезть, нужно сантиметров десять мозговой ткани пройти", — комментирует перспективы оптогенетики в лечении людей молекулярный биолог, профессор Сколковского института Филипп Хайтович в интервью "Бизнес FM".

В любом случае, эта технология помогает лучше разобраться в принципах работы мозга живых существ и может стать ценным подспорьем в дальнейшей разработке методов борьбы с различными психологическими проблемами у людей.

Одни из самых ярких экспериментов над памятью, связанные с оптогенетикой — опыты Судзуми Тонегавы, лауреата Нобелевской премии по медицине. Ложные воспоминания, манипуляции ощущениями и управление поведением через изменение памяти — это точно по его части.

Первый эксперимент, поставленный командой Тонегавы, связан с созданием ложных эмоций, основанных на манипулировании памятью. Если точнее, то учёным удалось заставить подопытных мышей при стимуляции светом бояться тогда, когда реальных поводов для страха у них не было.

Сначала специалисты помещали мышей в незнакомую клетку — и давали по ней небольшой электрический удар. В результате у подопытных формировался страх перед новой клеткой — и, оказываясь в ней вновь, они инстинктивно замирали, ожидая нового удара. Эта реакция логична: в мозгу мышей формировались нейронные цепочки, связанные с воспоминанием о конкретной опасной обстановке, в которой они испытывали дискомфорт.

После учёные помещали мышей в другую клетку, сильно отличающуюся от "пыточной". В этой обстановке мыши не боялись нападения и вели себя спокойно. Но затем учёные воздействовали светом на нейроны в мозге мышей, где хранились воспоминания о "пыточной" клетке. И тогда мыши немедленно замирали, ожидая электрического удара — хотя при этом находились в "безопасной" клетке. Таким образом специалистам успешно удалось искусственно вызвать у подопытных ощущение страха в безопасной обстановке.

Спустя несколько лет команда Тонегавы поставила ещё один эксперимент. На этот раз учёные попытались выяснить, можно ли искусственно вызвать у подопытных существ приятные воспоминания — и манипулировать их поведением: например, чтобы вывести из депрессии.

В первую очередь специалисты создали у подопытных мышей-самцов приятные воспоминания, дав им провести время с самками. В результате в мозге животных были отмечены группы нейронов, которые отвечали за память об удовольствии в процессе спаривания. Затем учёные намеренно вызвали у подопытных депрессию, поместив их в тиски, ограничивающие движение. В конце первой недели мыши стали демонстрировать признаки психического расстройства: отказывались от угощения и не пытались вырваться, когда их брали за хвост.

Но, как только специалисты активировали в мозге мышей нейроны, где были "закодированы" воспоминания о самках, все симптомы депрессии пропадали у подопытных в считанные минуты! Впоследствии у мышей регулярно активировали эти приятные воспоминания — и они избавились от депрессии всего за неделю.

Интересно, что живое общение с самками не оказывало такого эффекта: состояние депрессивных самцов не улучшалось и они продолжали игнорировать своих потенциальных партнёрш.

Однако, во всех вышеперечисленных случаях "обман" мозга достаточно прост.

Организм всего лишь заставляют насильственным образом "вспомнить" в конкретное время приятные или неприятные события и связанные с ними ощущения. А можно ли полностью сгенерировать воспоминание, навсегда связав болезненный опыт с местом, где его никогда не было?

Можно — с уверенностью ответили всё те же специалисты из команды Судзуми Тонегавы. В своём следующем эксперименте они пошли дальше и заставили подопытных мышей постоянно бояться места, в котором с ними никогда ничего не случалось.

Сначала подопытных животных разместили в клетке №1 и дали им запомнить её (при этом, в мозгах у подопытных успешно "пометились" родопсинами нейроны, отвечающие за память об этой клетке). Затем мышей переместили в клетку №2 — и пустили по ней ток. Только при этом, когда животные запоминали болезненные ощущения, мозг мышей облучали светом, заставляя "активироваться" нейроны, отвечающие за воспоминания о клетке №1.

В итоге неприятный опыт успешно "записался" в память мышей — только связывали они его не с клеткой №2, где в тот момент находились в реальности, а с клеткой №1 — которую их заставляли "вспоминать" в момент пытки. Подтверждением этому стало то, что, оказавшись в "безопасной" клетке, мыши замирали в испуге, ожидая электрического удара — хотя на самом деле опасным для них было совершенно другое место.

Стоит отметить, что воспоминание получилось достаточно устойчивым и конкретным: при помещении в клетку №3, непохожую на первые две, мыши вели себя спокойно, что показывает, что изменение памяти было точечным — и повлияло только на воспоминание о конкретном месте. Кроме того, даже в реально "опасной" клетке №2 мыши пусть и реагировали испугом, но также довольно слабо — то есть ложному воспоминанию удалось даже частично перекрыть истинное.

Итак, "включать" воспоминания — как ложные, так и истинные — у учёных уже получается. А стирать?…

…И стирать — подтвердили специалисты из группы ещё одного японского учёного Танаки Казумасы. Они поставили над мышами эксперимент с клеткой и электрошоком, аналогичный опыту Тонегавы. Отличие было в том, что вместо искусственного "вызывания" неприятных воспоминаний память о травмирующем событии, наоборот, стиралась — путём блокировки при помощи света групп нейронов, отвечавших за хранение воспоминания об электрическом ударе. Эксперимент прошёл успешно: когда мышам, находившимся в "опасной" клетке, "отключали" память, они не испытывали страх — в противовес контрольной группе подопытных, которые замирали в ожидании новой пытки.

Источник: https://www.pravda.ru/eureka/1790599-vashi_vospominanija_v_nashikh_rukakh/

Как меняется поведение людей при связывании нейронных сетей под целенаправленным воздействием и случайным образом.. Подробнее.