Философы веками спорили: рождается ли человек с готовыми структурами мышления или они формируются только через опыт? Новое исследование склоняет чашу весов в пользу врожденных знаний. Команда под руководством Тала Шарфа, специалиста по биомолекулярной инженерии, наблюдала за развитием мозговых органоидов — трехмерных моделей ткани, которые формируются из стволовых клеток в лаборатории без какого-либо сенсорного воздействия. Работа опубликована в Nature Neuroscience.
Мозг знает, как устроен мир, еще до рождения человека
Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Крузе обнаружили, что человеческий мозг формирует сложные электрические паттерны активности еще до любого контакта с внешним миром. Используя органоиды — миниатюрные модели мозговой ткани, выращенные из стволовых клеток, исследователи показали: мозг содержит врожденную «операционную систему» для взаимодействия с реальностью.
Эмбрион человека. 7 недель. Уже на этом этапе развития начинает формироваться «режим по умолчанию» в мозге. https://www.menneskeverd.no/
Десятилетия нейробиологических исследований показали, что нейроны активируются не случайно, а следуют определенным паттернам. У мозга есть базовая фоновая активность — «режим по умолчанию», которая продолжается, даже когда человек не выполняет никаких специфических задач. Эта базовая структура определяет возможный диапазон сенсорных реакций, которые тело и мозг могут производить. Когда приходит новый сигнал — запах, вкус, изображение — мозг модифицирует этот базовый паттерн под конкретное ощущение. Органоиды демонстрируют такую же структуру активности без всякого опыта, что указывает на врожденный характер этой «операционной системы».
Мозг готов к познанию еще до опыта
Тал Шарф держит в руках микроэлектродный массив на основе CMOS. Эти устройства содержат тысячи миниатюрных усилителей, используемых для триангуляции электрической активности отдельных нейронов в органоидной ткани размером в миллиметр.
Уже в первые месяцы развития, задолго до того как настоящий человеческий мозг способен обрабатывать визуальные и звуковые стимулы, клетки органоидов спонтанно начинали посылать электрические сигналы. Эти паттерны оказались очень похожи на так называемый «режим по умолчанию» — базовую структуру активности взрослого мозга, которая лежит в основе обработки информации от всех органов чувств.
«Эти клетки явно взаимодействуют друг с другом и формируют цепи, которые самоорганизуются до того, как мы можем что-либо получить из внешнего мира», — объясняет Тал Шарф. По его словам, существует операционная система, которая возникает еще до рождения, и органоиды позволяют заглянуть в эту первоначальную версию «программного обеспечения» мозга.
Лаборатория Шарфа разрабатывает новые нейронные интерфейсы, используя опыт в области физики, материаловедения и электротехники.
Открытие указывает на генетически закодированный план нейронной архитектуры. «Эти внутренне самоорганизующиеся системы могли бы служить основой для построения представления об окружающем мире», — отмечает Тал Шарф. Эволюция, похоже, нашла способ, дать возможность центральной нервной системе создавать карту для навигации и взаимодействия с миром еще до встречи с ним.
Результаты открывают новые возможности для изучения нарушений развития нервной системы и воздействия токсинов вроде пестицидов на развивающийся мозг.