​​IDEAS Neuroschool. Day 1
#neuro

Первый день школы был во многом посвящён подходу к изучению мозга с точки зрения функциональных систем. Особым лейтмотивом стали вариации концепции, сформированной научной школой В. Б. Швыркова. В упрощённой формулировке эта концепция предполагает, что активность нейронов определяется не столько реализацией относительно изолированных сенсорных, моторных и прочих программ поведения, сколько системной структурой индивидуального опыта организма. Элементы этой структуры распределены по всему организму и действуют совместно не по принципу реакции на стимул, а для достижения нужного результата.

Несмотря на то что я не могу назвать себя сторонником этой концепции, из вчерашних лекций и обсуждений остались некоторые takeaways, полезные независимо от теоретических предпочтений:

- Существующая классификация психических процессов (например, выделение таких когнитивных категорий, как восприятие, внимание, память) может являться условностью, продуктом folk psychology и не соответствовать реально протекающим в мозге процессам.

- Нередко отдельные структуры мозга тоже выделяются условно. Многие из них неоднородны и могут состоять из подразделов: например, на текущем доступном уровне детализации уместно говорить не о гиппокампе в целом, а о его функционально различных сегментах (CA1 и т. д.)

- Fun fact: в 1984 году на базе Института психологии Академии наук СССР в гипоталамусе и лимбической коре кроликов были обнаружены нейроны места. Это неожиданно, так как традиционно эти нейроны, отвечающие за создание когнитивной карты местности, находятся в гиппокампе. Мой последующий поверхностный поиск по более поздней литературе результатов не обнаружил.

- Когда организм воспринимает стимул или совершает действие, в его мозге активируются конкретные нейроны. Это определяет их специализацию. Остаётся открытым вопрос: существуют ли нейроны с несколькими специализациями?

- В мозге есть молчащие нейроны, которые не генерируют потенциалы действия, но при этом получают метаболический приток и дают его активным нейронам. Зачем они нужны? Возможно, для формирования новых узких специализаций.

- Поведение можно исследовать как континуум: реакция на стимул может рассматриваться как "престимульная" активность относительно последующего стимула.

- Следующий тезис затрагивает область интеллекта, которой нередко сопустствует опасность его нечёткой операционализации, но всё равно укажу его как пищу для размышлений. Понятие интеллекта как механизма адаптации к окружающей среде возможно рассматривать с позиции нейронных реактиваций как в процессе поведенческого акта, так и вне его. Эти реактивации порождают большее число новых тестируемых взаимодействий, одно из которых в результате и оказывается "правильным". Косвенным показателем этой реактивации может являться высокая сложность и вариативность паттернов мозговой активности у "умных" людей.

- Вдогонку к предыдущему тезису важно помнить: увеличение активации нейрона как таковое не всегда полезно. В частности, чрезмерная активация нейронов может запускать процессы апоптоза (их смерти). Для оптимизации функционирования нужно ограничение спайковой частоты.

- На лекции про методы регистрации нейронной активности выделила для себя много полезного, поскольку больше привыкла работать с неинвазивными данными (ЭЭГ и МЭГ), в обработке которых немного другая философия. Из лекции, в частности, запомнился способ определения, содержит ли сигнал активацию нескольких нейронов. Рефрактерный период, возникающий в нейроне после потенциала действия, длится несколько миллисекунд. Если посчитать автокорреляционную функцию активности одного нейрона, то в ней будет заметен "провал", соответствующий рефрактерному периоду. Если же "провала" нет, то сигнал наверняка представляет активность нескольких нейронов. Впрочем, у метода есть недостаток: наличие "провала" может наблюдаться и при активации нескольких нейронов при совпадении их динамики.

Продолжение следует!

​​IDEAS Neuroschool. Day 2
#neuro

Второй день школы запомнился спайками. О них рассказывал Евгений Ижикевич, девять лет проработавший с лауреатом Нобелевской премии Дж. Эдельманом, основавший компанию Brain Corp., известную "мозгами для роботов", а также ставший главным редактором Scholarpedia − рецензируемого аналога Википедии, статьи в которой пишут эксперты.

Ниже − некоторые тезисы лекции:

- Работа мозга определяется спайками (потенциалами действия, специфичными волнами возбуждения). Информация кодируется не только частотой спайков, но и их таймингом (временем появления). Чтобы интуитивно оценить количество информации, достаточно представить 100! ~ 10^160: комбинаций состояний, порождаемых всего лишь сотней нейронов. Это много!

- Спайки − не уникальное свойство нейронов, поскольку аналогичные разряды можно наблюдать в клетках кожи и даже в клетках тыквы.

- В упрощённом представлении нейроны действуют по принципу "всё или ничего", и у них есть порог спайков − показатель напряжения, превышение которого потенциалом мембраны приводит к возникновению спайка. Однако в реальности фиксированный порог, скорее всего, отсутствует, а в некоторых математических моделях предполагается зависимость потенциала мембраны от предыдущих спайков или динамические изменения порога, которые, в частности, могут отфильтровывать синаптические входы.

- Был упомянут механизм spike-timing dependent plasticity (STDP), который иногда называют "первым законом" синаптической пластичности. Этот механизм предполагает, что сила связей между нейронами определяется относительным временем появления спайков пресинаптического и постсинаптического нейронов.

- В 2008 году вместе с Эдельманом Ижикевич реализовал первую детализированную модель мозга в "человеческих" масштабах с учётом данных. Для создания модели использовались структурные данные диффузной МРТ нейронных трактов и 22 типа модельных нейронов, активность и связи которых определялись разными типами пластичности. Примечательно, что эта детализированная симуляция активности большого количества отдельных нейронов породила уже на самой коре модельного мозга волновые паттерны, типичные для реальных данных спонтанной мозговой активности (см. видео). Естественно, с тех пор было разработано множество обновлённых моделей, но это не отменяет общего впечатления.

- Следует помнить, что как бы хорошо искусственные спайковые нейронные сети ни реплицировали работу мозга, в классических задачах ИИ они уступают обычным искусственным нейронным сетям, которые не обязательно опираются на логику нейрональной коммуникации. Здесь уместно метафорическое сопоставление птиц, имеющих перья, и самолётов, построение которых обходится без перьев. Является ли спайковая активность "перьями" или всё же её механизм важен − покажет время.

Для тех, кому интересны технические аспекты построения нейрональных моделей, прилагаю ссылку на соответствующую книгу в авторстве лектора.

​​IDEAS Neuroschool. Day 3
#neuro

В ходе третьего дня школы по нейронауке отметила для себя концепт полихронизации. Этот феномен возник в симуляции ткани мозга из 1000 нейронов – возбуждающих и тормозных. С некоторой периодичностью выбирался случайный нейрон и подвергался стимуляции, вызывающей спайк. В этой искусственной спайковой сети на фоне стандартных режимов, свойственных нейрональной активности, проявилась интересная закономерность: нейроны как будто группировались и генерировали стереотипные несинхронные паттерны, которые затем воспроизводились. Число таких групп превысило число нейронов в сети, что возможно рассматривать как большой ресурс памяти этой искусственной системы.

Стандартно считается, что синхронная активность нейронов обеспечивает нейрональную коммуникацию, однако такая "полихронная" активность при определённом соотношении задержек возникновения пресинаптических спайков может обеспечивать постсинаптический ответ.

На рисунке (А) изображены связи нейронов a и e с нейронами b, c и d с разными задержками проводимости сигнала по аксону. Возбуждение нейронов обозначается вертикальными линиями, а стрелки указывают на время, когда спайк достигает постсинаптического нейрона. Из схемы (B) видно, что такой сценарий синхронной активности неэффективен, поскольку спайки, возникающие синхронно, достигают постсинаптического нейрона в разное время из-за разных задержек в проводимости. Схемы (C) и (D) показывают сценарии, в которых отсутствие синхронности в спайках пресинаптических нейронов позволяет сигналам достичь постсинаптический нейрон одновременно и вызвать его возбуждение.

Концепт довольно прозрачный, но, насколько мне известно, напрямую наблюдать феномен полихронизации в реальных данных пока что не удаётся, хотя ведутся исследования повторяющихся последовательностей спайков в электрофизиологических данных. Интересно, кстати, что несмотря на наличие кода модели в открытом доступе, попытка реплицировать полихронизацию привела к множеству трудностей и показала большую чувствительность модели к исходным параметрам. Авторы репликации даже составили полезный список рекомендаций для тех, кто вместе с публикацией статьи выкладывает в открытый доступ код своих моделей.

Это полезное напоминание не только о проблемах соотнесения симуляций и реальных данных или плохой воспроизводимости экспериментальных результатов, но и о том, что саму по себе симуляцию бывает непросто воспроизвести независимо. Всё это заставляет лично меня с опаской относиться к нейронаучным теоретизированиям на основе моделей, что, впрочем, не умаляет их важность для формирования полезных интуиций.

​​IDEAS Neuroschool. Last but not least
#neuro

Научная школа подошла к концу. Это было очень интенсивное погружение. Когда станут доступны видеозаписи лекций, сделаю отдельный пост со ссылками. А пока что представляю список поинтов, запомнившихся в последние дни школы.

- Gato – недавно появившаяся универсальная нейросеть с архитектурой "трансформер", своеобразный "швейцарский нож". Она способна выполнять более 600 задач: например, создавать подписи к изображениям, проходить видеоигры или контролировать роботов. Принцип функционирования сети заключается в обучении на большом массиве данных, а затем – последующем дообучении на небольшом объёме данных, соответствующих конкретной задаче, у которой может быть уже другая модальность. У такой универсальности есть обратная сторона: в ряде случаев Gato уступает моделям, изначально обученных для узкоспециализированных задач.

- Socratic Models – тоже недавно реализованный подход. В отличие от Gato, в нём не все задачи реализуются в одной модели, а наоборот – множество моделей для узкоспециализированных задач сочетаются через запросы пользователя.

- Возвращаясь к биологии: открыт вопрос, существуют ли нейроны, специализирующиеся на концептах, у грызунов или приматов. У них могут быть представления о концептах, но отсутствовать их репрезентации. Впрочем, есть данные, указывающие на возможность существования репрезентации гнезда у грызунов независимо от внешних свойств этого гнезда.

- Не совсем ясно, как реализуется интегративная деятельность нейрона. С одной стороны, интуитивно кажется, что специализация нейронов запечатляется в виде паттернов взаимодействия нейрона со своими соседями и установки синаптических связей. С другой стороны, специализация нейрона может сохраняться в качестве эпигенетического следа памяти непосредственно в нём. В пользу этого говорят эксперименты со стиранием синаптических связей, которые затем восстанавливаются, как будто специализация содержится не просто в наборе контактов, но и внутри самого нейрона.

Пусть это и прозвучит пафосно, но хотя я уже не первый год в нейронауке, после таких мероприятий всё ещё ловлю себя на способности удивляться и задаваться вопросами. Это радует.

Серотониновая теория депрессии и её запоздалое "опровержение"
#mental_health

Недавно вышел обзор многочисленных исследований, который показал, что депрессия не является результатом "химического дисбаланса" в мозге, в частности, нарушений выработки серотонина (так называемого "гормона счастья"). Этот обзор широко освещается в СМИ, чему сопутствуют громкие заявления о разоблачении давнего мифа или о бессмысленности фармакотерапии. Но действительно ли полученные результаты поменяли наши представления о депрессии, или же это пример сгущения красок? Попробуем разобраться.

Для депрессии характерно множество проявлений, отражающихся на различных когнитивных доменах – эмоциях, памяти, внимании и др. Это предполагает, что причины этих проявлений могут быть различные. В обзоре же авторы не учитывают эту гетерогенность и рассматривают влияние концентрации серотонина на проявление депрессии в целом. Сложно представить искреннюю веру в то, что такое многообразие симптомов может обуславливаться одним фактором. Поэтому теория "химического дисбаланса" в мозге не рассматривалась специалистами всерьёз уже на протяжении многих десятков лет. Получается, что результаты обзора не являются удивительными или непредсказуемыми.

Тем не менее, объяснение депрессии через "химический дисбаланс" действительно существует в массовом сознании. Это убеждение может подкрепляться упрощённым описанием механизмов депрессии в рекламе препаратов и даже со стороны врачей, объясняющих принципы их действия пациентам.

Это не значит, что "кругом обман": серотонин играет важную роль в регуляции эмоций, и не исключено, что его вклад в отдельные подтипы депрессии или отдельные симптомы может быть велик.

Что точно не следует из обзора:
1. Из обзора не следует, что использование антидепрессантов бессмысленно (в том числе и тех, которые повышают концентрацию серотонина). Эффективность антидепрессантов не обязательно должна обуславливаться наличием "химического дисбаланса" тех нейромедиаторов, на которые они влияют. (Впрочем, то, насколько эффективны антидепрессанты, – тема отдельного обсуждения, я писала об этом ранее).
2. Теория "химического дисбаланса" в какой-то степени могла являться и полезной: она позволяла людям с этим заболеванием не винить себя в его возникновении. И, что немаловажно, из обзора не следует, что в этом смысле может что-то поменяться и что люди с депрессией должны подвергаться стигматизации. Даже если тезис "Это не я, это химический дисбаланс в моём мозге" перестанет быть релевантным, это не значит, что отсутствуют иные биологические причины.

В обзоре имеют место и некоторые ограничения, связанные, например, с тем, что он покрывает исследования даже пятидесятилетней давности: за это время способы измерения содержания серотонина сильно изменились, что могло создать свои искажения. Но в этом примере не столько важны технические ограничения исходного исследования, сколько лежащие на поверхности ошибки последующей интерпретации, из которых могут произрастать всё новые и новые мифы.

Хотелось бы сталкиваться с таким пореже. Здесь следовало бы оставить вдохновенную фразу на тему важности научного просвещения и критического мышления. Но это уже набивает оскомину...

Итоги:
1. Концентрация серотонина не является единственным фактором, обуславливающим возникновение депрессии во всех её проявлениях (и это известно и очевидно уже очень давно).
2. Пункт 1 не относится к оценке эффективности антидепрессантов.

#popsci

Иногда даже самые заядлые материалисты и редукционисты не прочь пофилософствовать. Именно это и произошло в выпуске подкаста "Неискусственный интеллект": вместе с Антоном Кузнецовым и Михаилом Лебедевым мы поговорили о сознании, его содержании (в частности, боли) и о том, как мозг соотносится с нашим "я". Прелесть таких бесед состоит в том, что они не подразумевают окончательное поведение итогов и можно дать волю фантазии и логике.

#popsci

Наш с Настей подкаст пополнился новым выпуском! В нем мы обсудили процесс, горячо любимый многими из нас, – сон. Выпуск получился насыщенным: мы поговорили о теориях сна, о циркадных ритмах, о расстройствах, связанных со сном, и о том, как спать правильно. Будем рады прослушиваниям и вашим отзывам!

Обесценка "гормонов счастья"
#mental_health #neuroscience

Вдогонку к недавнему посту про "разоблачение" серотониновой теории депрессии следует подчеркнуть, что не только для ментальных заболеваний свойственны неоднородные проявления, которые невозможно описать дисфункцией одного нейромедиатора, но и роль самих нейромедиаторов многогранна. Поэтому описание серотонина или дофамина как гормонов счастья или удовольствия является не просто упрощением, но и искажением сути их функционирования.

Ниже представлены факты об этих двух нейромедиаторах, расширяющие традиционные представления о них.

Серотонин
- Несмотря на вовлеченность в функционирование нервной системы, 95% серотонина производится в кишечнике, где он вносит вклад в пищеварение.
- Серотонин участвует в выработке мелатонина — гормона, связанного с циркадными ритмами и циклами сна-бодрствования.
- Тромбоциты в крови содержат серотонин и направляют его к различным тканям, обеспечивая процессы заживления и свертывания крови.
- Регулируя обмен веществ, серотонин понижает аппетит и чувство голода, а также играет роль в поддержании тепла в организме.
- Большое количество серотонина может быть опасным: так называемый серотониновый синдром сопровождается повышением давления и частоты сердечных сокращений, тремором, проблемами с пищеварением. Осложнения могут приводить к судорогам, гиперрифлексии и даже смерти.
- Ваш мозг не может получить серотонин напрямую из еды. Сколько бы бананов вы ни съели, серотонин, содержащийся в них, не преодолеет гематоэнцефалический барьер и не попадет из кровяного русла в мозг. Но не стоит забывать про триптофан — аминокислоту, из которой образуется серотонин. Триптофан как раз может попасть из кровеносной системы в нервную, если вы будете употреблять еду с высоким содержанием белка.

Дофамин
- Дофамин не дарит вам эйфорию и удовольствие от той или иной деятельности. Он предсказывает ее исход. Если вам дают шоколадку, уровень выработки дофамина будет больше, если это преподношение окажется для вас неожиданным, в отличие от ситуации, когда вы уже ожидаете это вознаграждение. В обоих случаях при этом вы можете испытать одинаковое удовольствие от шоколада. Возможна и обратная ситуация: если вы ожидаете шоколадку, а вместо этого вас бьют током, содержание дофамина понизится. Это обеспечивает важные механизмы обучения: дофамин словно служит связующим звеном между вознаграждением и действиями, которые приводили к его получению. Он указывает вам на то, что вам понравилось, чтобы вы это повторили снова, а также на то, чего следует избегать. В этом —важное отличие между желанием и удовольствием.
- Дофамин регулирует выработку пролактина, отвечающего за репродуктивные функции: чем больше дофамина, тем меньше пролактина.
- Дофамин играет важную роль в регуляции движений. Разрушение дофаминергических нейронов сопровождает болезнь Паркинсона, нарушая баланс между активацией и торможением движения, что приводит к возникновению тремора.
- Избыток дофамина может вызывать негативные эффекты: тревожность, бессонницу, агрессию и даже галлюцинации.

#popsci

Несколько дней назад вышел новый выпуск подкаста “Неискусственный интеллект” с моим участием. Получилась очень содержательная беседа с позиций философии и нейронауки на тему технологий чтения мыслей.

В текущей ситуации своевременность такого контента будет находиться под вопросом, но все-таки решила оставить на этом канале ссылку скорее как референс к той деятельности, ценность которой я стараюсь для себя сохранять всегда.

#popsci

Недавно мы с Настей записали очередной выпуск нашего подкаста “Кортекс”. В этом длинном и насыщенном выпуске мы попробовали разобраться в том, как соотносятся представления о ментальных расстройствах с точки зрения психиатрии и нейронауки, как эти дисциплины взаимодополняют друг друга и какие решения текущих проблем в психиатрии предлагает нейронаука.

#popsci

И вновь наш с Настей подкаст “Кортекс” пополнился выпуском. В этот раз мы замахнулись на непростую тему моделирования мозга. В этом выпуске по-особому столкнулись наши с Настей научные идентичности, поскольку я по профессиональной привычке рассматривала моделирование как некий инструмент, а Настя, больше работающая с экспериментальными данными, справедливо поднимала вопрос о целесообразности некоторых масштабных проектов, для которых моделирование мозга — это глобальная цель.

Приятного прослушивания!

P. S. В ближайшее время канал продолжит пополняться и традиционными текстовыми заметками.

Открытые датасеты по нейровизуализации
#resources

Обнаружила полезную платформу, на которой можно найти большое количество данных ЭЭГ, МЭГ, ПЭТ и МРТ. Число датасетов достигает нескольких сотен, доступна фильтрация по характеристикам участников, исследуемому заболеванию или когнитивной задаче.

​​Неуловимые воспоминания
#psychology

Публикация: Otgaar, H., Howe, M. L., & Patihis, L. (2022). What science tells us about false and repressed memories. Memory, 30(1), 16-21.

Продолжая традицию развенчивания некоторых мифов о психике, сегодня коснусь темы подавленных воспоминаний на основе недавно вышедшего обзора. Широко распространено мнение о существовании защитной реакции мозга, заключающейся в том, что травмирующий опыт может автоматически вытесняться из памяти. Затем такие подавленные воспоминания якобы могут быть реконструированы средствами психотерапии.

Существуют ли научные обоснования подавления воспоминаний? Во-первых, в соответствии с имеющимися данными травма забывается крайне редко или почти никогда. Во-вторых, то, что некоторые жертвы травмирующих событий предпочитают не говорить или не думать о них, а также могут забывать детали этих событий (как и любых других, потому что мозг − не видеопленка) не равнозначно подавлению воспоминаний. В-третьих, событие, изначально переживаемое как не травматичное, позже может быть переосмыслено человеком как наносящее травму: эта новая интерпретация не предполагает извлечение якобы подавленных ранее воспоминаний, а опирается на уже имеющиеся воспоминания. В-четвертых, жертва травмирующих событий может сознательно избегать воспоминания на травмирущую тематику, что опять же не равносильно полному отсутствию доступа к этим воспоминаниям ("memory suppression" VS "memory repression"). Наконец, наблюдались случаи, когда человек мог периодически вспоминать травмирующие события, а затем забывать об этих актах воспоминаний, что создавало иллюзию, будто к воспоминанию не обращались годами и оно было "заблокировано" (феномен "forgot-it-all-along (FIA)").

Чем может объясняться восстановление якобы подавленных воспоминаний? В ряде случаев − имплантацией ложных воспоминаний. В отличие от подавленных воспоминаний, существование ложных воспоминаний было подтверждено большим числом экологически валидных исследований, а число людей, восприимчивых к формированию таких воспоминаний, в среднем достигает 30% от участников. Как показали исследования, автобиографические воспоминания могут встраиваться средствами дезинформации или убеждения и покрывать разнообразные несуществующие сценарии, начиная от потери в торговом центре в детстве и заканчивая похищением НЛО. Поэтому воспоминания о травме, восстановленные в ходе терапии или иных так называемых суггестивных процедур, могут не соответствовать действительности.

Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что та или иная форма "подавления" травматичных воспоминаний (если она вообще существует в чистом виде) − это скорее исключение из правил. Если же аккуратно допускать, что имеют место частные случаи подавления и последующей реконструкции такого рода воспоминаний, одним из важных маркеров истинности воспоминания (помимо внешнего подтверждения возможными свидетелями события) должна служить спонтанность этого восстановления, поскольку терапевтические техники постепенного возвращения памяти могут порождать ложные воспоминания.