Несмотря на то что за последние десятилетия науки, изучающие мозг, значительно продвинулись вперед, человеческий разум продолжает хранить множество загадок. Что такое интеллект? Что такое память? Частично нам все же удалось пролить свет на некоторые из этих тайн: мы начинаем понимать, как физически и химически работает память, возможно ли ее блокировать или восстанавливать, как это делать. Научный руководитель Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН член-корреспондент РАН Сергей Дмитриевич Варфоломеев рассказал корреспонденту «Научной России» о последних открытиях в области нейронаук.
— Сергей Дмитриевич, начнем с больших, сложных вопросов, пусть и звучащих легко: что такое интеллект, что такое память, как далеко мы продвинулись за последние десять лет в их исследовании?
— Я начну с еще более далеких фундаментальных вопросов. В современной науке, на мой взгляд, их существует только три. Вопрос номер один: как возникла Вселенная? Как из ничего мог возникнуть этот материальный мир? Вопрос номер два: как произошла жизнь? И, наконец, не менее сложный вопрос: каким образом материя становится сознанием? Что такое интеллект? Каковы механизмы возникновения и функционирования этого удивительного явления, которое мы называем мышлением, памятью?
Для того чтобы можно было исследовать такие сложные явления, как основы интеллекта, необходимы фундаментальные решения глобального характера. За последние 20 лет наука нашла возможности оперировать принципиально новыми механизмами. Появились методы магниторезонансной томографии и спектроскопии, которые позволяют in vivo без лишних воздействий исследовать химические процессы в мозге человека. Мы получили возможность наблюдать за процессами функционирования нейрональных систем в целом. Появились новые методы математического моделирования и описания сложнейших физических явлений. В Московском государственном университете и в Российской академии наук существуют суперкомпьютерные технологии, позволяющие рассмотреть смещение атомов в структуре белков и химических агентов, и не просто рассмотреть, а получить динамическую картину того, что происходит в этих структурах.
— Расскажите подробнее о вашей работе над поиском ответов на эти вопросы.
— В 2019 г. академик Виктор Антонович Садовничий, ректор МГУ, в беседе со мной сказал: «А не хотите ли вы сделать институт в структуре Московского университета?». И мы сделали очень маленькую организацию под названием «Институт физико-химических исследований нейрональных систем и искусственного интеллекта». Результаты работы этой конфигурации людей я и хочу изложить. Мне очень легко это сделать, потому что в связи с 270-летним юбилеем МГУ издает новые книги, и одна из них, «Молекулярная основа интеллекта», уже сдана в издательство.
Первое, что нам показалось важным и необходимым сделать, — идентифицировать структуры сложной конфигурации атомов, каковую представляет собой мозг человека, ответственные за функционирование памяти. Существуют химические агенты, регулирующие эти процессы. И есть гигантская медицинская проблема деменции, болезни Альцгеймера, при которой нарушаются структуры, определяющие поведение этой системы. Деменция — это страшное заболевание. И статистика здесь довольно мрачная, потому что люди становятся взрослее и структуры мозга сильно деградируют, в основном за счет окислительного стресса. Но есть и лекарства, которые могут решать эту проблему. Это ингибиторы ферментов, участвующие в синаптических контактах. Люди начинают видеть мир совсем по-другому, к ним возвращается память.
Есть и обратные явления: химические агенты, блокирующие память. На Руси было выражение «белены объелся», то есть с продуктами питания к тебе в мозг попал алкалоид скополамин, а он просто блокирует рецептор ацетилхолина. Фактически мы занимались и занимаемся изучением двух классов синапсов — холинергических и глутаматных. Неопровержимо доказано, что они определяют запись, поведение и считывание информации.
— Так что же такое память?
— У меня есть строгая уверенность в том, что память — это продукт поведения системы синаптических контактов в мозге человека. В мозге человека девять в девятой степени нейронов — это клетки, которые пересекаются и создают синаптические контакты. Каждый нейрон имеет приблизительно тысячу контактов друг с другом, и запись информации идет в зависимости от того, открыты или закрыты эти контакты. Если контакта нет и синапс закрыт, то проведение синаптической передачи блокировано. Если возникает физическая, материальная структура пересечения контактов, возникает нейрообраз, создающий понимание, воспоминание.
Что заставляет синапс проводить или не проводить? Поведение ферментов. Если фермент гидролизует ацетилхолин, то продуктом служит протон. Образуется уксусная кислота, которая выбрасывает в эту синаптическую щель протон, блокирует фермент и открывает синапс.
— Как эти знания теперь можно использовать?
Мы знаем, как возникает любое мыслимое и немыслимое визуальное рецепторное возбуждение. Оно связано с инжекцией кислорода и глюкозы в зону возбуждения. Это процесс, длящийся шесть секунд, мы тщательно исследовали его методами магнитно-резонансной томографии. Вы на меня смотрите, я знаю, в какой области мозга у вас возникло возбуждение, и вот в эту область из микрокапилляров, образующих всю структуру энергообеспечения, инжектируются глюкоза и кислород. Это один из главнейших элементов функционирования мозга.
Исследования подобного класса имеют массу практических приложений. В первую очередь, объясняется большое количество нейропатологий: эпилепсия, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, черепно-мозговые травмы. Мы понимаем теперь, по каким химическим законам они возникают. Более того, теперь мы решаем задачи, связанные с уничтожением окислительного стресса, например, посредством молекулярного водорода, хотя 15 лет назад не было представления, что водород может быть одним из мощнейших антиоксидантов в организме человека. Или кофеин, который человечество по наитию использует сотни лет как продукт питания.
— К каким будущим технологиям может привести исследование мозга?
Существует еще одна потрясающая область — нейроинженерия. Про Илона Маска вы слышали: он убежден, что можно создать структуру электродов, которые позволят связать человека с компьютером. Мы достигли в этой области совершенно нетривиального решения. В мозг человека или мыши можно ввести химический магнит. Мы делали это еще лет десять назад. Вы берете магнитные частицы наноразмерного характера, вводите его в организм мыши и ставите под магнит. Мышь засыпает. Убираете магнит — она просыпается. На основании этого механизма можно форматировать любые структуры в мозге.
При этом мы не нашли предела токсичности вещества. Мы вводили 100 мг на килограмм мозга, и мышь потом жила бесконечное количество времени, давала потомство. Вот такие истории. Поэтому эта область очень интересная и крайне востребованная. И, что самое главное для меня, — мы начинаем понимать, как материя становится сознанием.