Протез для памяти
Автор: Василий Попков

В марте этого (2018) года вышла работа, которая впервые продемонстрировала работающий протез для гиппокампа, который действительно улучшает память людей.

В эксперименте приняли участие 22 добровольца, страдающих эпилепсией. По медицинским показаниям им необходимо было имплантировать электроды для локализации очага припадка. И они согласились параллельно принять участие в тесте «протеза для гиппокампа». На изображении ниже представлены снимки МРТ одного из пациентов до и после имплантации. Электроды проходили как через CA1, так и через CA3 области гиппокампа, что было принципиально для данной работы. Точные механизмы работы памяти, в том числе и та их часть, что протекает в гиппокампе, до сих пор исследуются. На текущий момент предполагается, что область CA1 отвечает собственно за процесс «извлечения воспоминания». Функции CA3 чуть менее очевидны, однако ясно, что взаимодействия CA3 и CA1 крайне важны для процесса «записывания» - «извлечения» воспоминаний. 

Источник: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/aaaed7

Пациенты проходили 2 типа тестов: на краткосрочную и долгосрочную память. В первом из них они наблюдали на экране картинку и через случайный интервал 1-70 секунд должны были выбрать эту картинку из набора изображений. Подобных испытаний за одну сессию было 100. В тесте на долгосрочную память пациенты должны были через 15-75 минут после первого теста из трех представленных картинок выбрать ту, которую они запоминали в первом тесте. Вторая картинка была новой случайной, третья – одной из набора «неправильных» ответов первого теста.

В первый день тестов производилась только запись активностей отдельных нейронов в CA3 и CA1. После этого данные были использованы для построения MIMO (multi-input, multi-output) модели. Упрощенно смысл данной модели заключался в том, что она выискивала из данных активностей нейронов в CA1 те, которые были зависимы от активности нейронов в CA3 во время «правильных» испытаний (то есть когда пациент правильно вспомнил картинку). Найдя такие нейроны модель училась предсказывать как конкретно должна измениться активность нейронов в CA1 в ответ на изменение активности в CA3. 

Устройство протеза. Источник: https://viterbischool.usc.edu 

Если упростить дальше, то логика работы была следующей: СА3 «знает» правильное воспоминание и «говорит» его СА1. Но СА1 не всегда его правильно «слышит», и когда сигнал не доходит – мы «не вспоминаем» факт (хотя СА3 его «знает»).
Данный же протез по сути представляет собой шунт между СА3-СА1, который научился переводить сигнал из СА3 на язык СА1 и может «заставить» СА1 правильно «услышать» сигнал.

В следующей серии аналогичных тестов имплантированные электроды работали уже не только на запись, но и на стимуляцию. Случайным образом во время тестов электроды или только записывали, или проводили случайную стимуляцию (чтобы исключить влияние на память просто электрической стимуляции), или стимулировали с помощью MIMO, то есть пытались подсказать СА1, что ему передает СА3. 


\

Структурная организация гиппокампа. Источник: https://www.nature.com/articles/nrn3785

В следующей серии аналогичных тестов имплантированные электроды работали уже не только на запись, но и на стимуляцию. Случайным образом во время тестов электроды или только записывали, или проводили случайную стимуляцию (чтобы исключить влияние на память просто электрической стимуляции), или стимулировали с помощью MIMO, то есть пытались подсказать СА1, что ему передает СА3. 

Как можно видеть на нижеприведенных данных из статьи, попытка MIMO подсказать воспоминание СА1 на основании активности СА3 была успешна как в случае теста краткосрочной память (DMS), так и в случае теста на долгосрочную память (DR). Пациенты в среднем на 20% чаще справлялись с заданиями при стимуляции MIMO. Интересно отметить, что наибольший эффект «протеза» наблюдался на самой долгой паузе краткосрочного теста (70 секунд) и самой маленькой долгосрочного. Что позволяет предположить, что такая схема наиболее эффективна для «долгой краткосрочной» памяти от минуты, до 15 минут. В целом, это согласуется с скудными литературными данными, которые приписывают СА3 как раз функцию кодирования новой информации. В некоторых работах предполагается, что СА3 не играет значимой роли в долгосрочной памяти,


Источник: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/aaaed7


Также интересно отметить, что случайная стимуляция как минимум не улучшала память, а в ряде случаев ее ухудшала. Что также согласуется с предыдущими работами, в которых не было показано улучшения памяти в ответ на простую стимуляцию гиппокампа.

Последним любопытным фактом является то, что модель MIMO была не индивидуальная, а одна для всех пациентов. Что позволяет уже делать определенные выводы об устройстве самого механизма памяти. Если исходить из результатов данной работы, то механизм памяти по крайней мере на уровне взаимодействия СА3-СА1 представляется универсальным и общим для всех людей (по крайней мере с эпилепсией…). Сам по себе этот факт не то чтобы удивителен, но и не самоочевиден – строгих доказательство универсальности работы «операционной системы» мозга не так много. Более того, в данной работе имеется даже конкретная математическая модель, которая умеренно удачно описывает данную часть процесса памяти. В будущем, на основании подобных моделей и исследований можно будет говорить уже о конкретных «вычислительных процессах» в мозге.


Источник: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/aaaed7
В целом, появление данной работы внушает огромный оптимизм. До реальных футуристических нейроимплантов по-прежнему очень далеко. Да и сама данная работа может в будущем не подтвердиться, как часто бывает с пионерскими работами. Однако сам факт того, что первый прототип нейроимпланта был успешно испытан на людях является огромным шагом вперед для всей области. В первую очередь политическим и социальным, поскольку создает прецедент и разрушает барьеры для финансирования и опытов в данной сфере.