Прощай, узкая специализация: большинство нейронов способны на многозадачность

Новое исследование, проведенное в Колумбийском университете (Нью-Йорк, США), ставит под сомнение классическую теорию о том, что клетки нервной системы — нейроны — имеют строго ограниченную специализацию. Ученые обнаружили, что подавляющее большинство из них способны выполнять несколько задач одновременно. Это открытие представляет мозг как орган с невероятной гибкостью обработки данных, сравнимый по своей функциональности со швейцарским армейским ножом — универсальным инструментом, подходящим для решения самых разных сложных проблем.

Данная работа знаменует собой настоящую смену научной парадигмы. Огромный интерес со стороны научного сообщества подтверждается тем, что еще до официальной публикации в журнале Nature предварительная версия статьи была скачана более 11 000 раз. Исследователи сосредоточились на фундаментальном вопросе: «Обладает ли каждый нейрон ограниченным набором функций или же он может служить разным целям?»

Для поиска ответа эксперты проанализировали активность мозга мышей. Хотя узкоспециализированные клетки действительно были обнаружены, выяснилось, что основная масса нейронов — это «универсалы». Стефано Фузи, ведущий исследователь Института Цукермана при Колумбийском университете, поясняет: «Нам пора отказаться от представления о мозге как о механизме из шестеренок, где каждая деталь выполняет одну конкретную функцию. Мозг работает иначе: большинство нейронов демонстрируют огромное разнообразие реакций, что позволяет органу эффективно справляться с множеством различных задач».

Эти выводы проливают свет на то, как мозг реализует сложные когнитивные процессы, и могут помочь понять, что происходит при сбоях в работе нейронных сетей. Лоренцо Позани, соавтор исследования из Парижского института мозга, отмечает, что дискуссия о специалистах и универсалах среди нейронов ведется давно, и ученые часто придерживаются полярных мнений по этому вопросу.

Предыдущие работы указывали на модульную организацию мозга, где отдельные зоны отвечают за зрение, обоняние и другие процессы. Это заставляло думать, что подобная изоляция сохраняется и на клеточном уровне. С другой стороны, мозг часто называют «сверхмощным компьютером», способным мгновенно адаптироваться к любым ситуациям, что логически предполагает универсальность его базовых элементов.

Проблема заключалась в том, что разные группы ученых использовали разные методы, изучали разных животных или регионы мозга, что приводило к противоречивым результатам. В новом проекте исследователи применили единую стратегию: они наблюдали за активностью 43 различных областей мозга мышей на уровне отдельных нейронов во время выполнения животными одних и тех же задач. Это позволило проанализировать колоссальный объем данных, предоставленный консорциумом International Brain Laboratory.

Выяснилось, что в первичных сенсорных зонах (например, отвечающих за зрение) нейроны действительно ведут себя как узкие специалисты. Однако в других частях мозга их реакции оказались гораздо более разнообразными. Таким образом, ученые пришли к выводу, что многофункциональность — это правило, а не исключение. Специализированные клетки существуют, но, как подчеркивает Стефано Фузи, они составляют меньшинство в сложной системе управления нашим организмом.