Концентраторы, помимо того что интегрируют информацию особым образом, могут также отвечать за установку часов в мозге. В области CA3 (хранилище памяти в гиппокампе, о котором говорилось в главе 4) в первые дни развития после рождения по нейронной популяции прокатываются волны электрической активности. Эти волны обеспечивают правильное распределение активности нейронов и прочности их связей. Нейроны-концентраторы являются вероятными координаторами этой важной синхронизированной активности; они, как правило, начинают стрелять до начала этих волн, и их стимуляция может вызвать волну. Другие исследования даже предполагают роль узловых областей в синхронизации активности всего мозга. Благодаря их высокой степени выраженности, сообщение от узла слышно далеко и широко в сети. Кроме того, узлы в мозге, как правило, сильно связаны друг с другом, и это свойство сети называют "богатым клубом". Такие связи могут гарантировать, что все узлы, посылая свои синхронизирующие сигналы, находятся на одной странице.
Даже то, как развиваются нейроны-концентраторы, указывает на их особое место в мозге. Нейроны, которые в дальнейшем образуют богатый клуб у круглого червя, например, появляются одними из первых по мере роста нервной системы. Всего через восемь часов после оплодотворения яйцеклетки рождаются все эти нейроны-концентраторы; остальная часть нервной системы формируется только через сутки. Точно так же и у людей большая часть базовой структуры концентраторов присутствует в младенческом возрасте.
Если узлы играют столь важную роль в работе мозга, то какую роль они могут играть в его дисфункции? Даниэль Бассетт исследовала этот вопрос в рамках своей обширной карьеры на пересечении сетей и нейронаук.
В начале 2000-х годов, когда методы теории графов только зарождались в области нейронаук, Бассетт была студенткой колледжа, изучавшей физику. В то время для нее, возможно, было неожиданностью услышать, что в будущем известный нейробиолог назовет ее "дуэньей сетевой науки".5 Хотя, учитывая ее воспитание, работа над дипломом физика уже сама по себе была несколько удивительной: Бассет была одной из 11 детей, получивших домашнее образование в религиозной семье, где от женщин ожидали более традиционных ролей. Ее переход к нейронаукам произошел во время защиты докторской диссертации, когда она работала с Эдвардом Буллмором, нейропсихиатром из Кембриджского университета, который был частью первой волны нейробиологов, стремившихся применить теорию графов к мозгу. Одним из первых проектов Бассетт было изучение того, как структура мозга влияет на распространенное и калечащее психическое расстройство - шизофрению.
Шизофрения - это заболевание, характеризующееся галлюцинациями и беспорядочным мышлением. Сравнивая мозглюдей с этим заболеванием и людей без него, Бассетт обнаружил ряд различий в свойствах их сетей, в том числе в узлах. Например, области в лобной коре, которые образуют узлы у здоровых людей, не образуют их у шизофреников. Нарушение работы лобной коры и ее способности подчинять себе и контролировать другие участки мозга может быть связано с галлюцинациями и паранойей, которые вызывает шизофрения. И хотя мозг шизофреника - это все еще маленький мир, средняя длина пути и сила кластеризации выше, чем у здоровых людей, что, по-видимому, усложняет взаимодействие двух разрозненных областей.
Будучи первым исследованием, в котором к этому заболеванию подошли с точки зрения теории графов, эта работа помогла перенести старую идею о "синдромах разрыва связей" в век количественных показателей. Еще в конце XIX века неврологи выдвинули гипотезу о том, что нарушение анатомических связей может приводить к расстройствам мышления. Немецкий врач Карл Вернике, в частности, считал, что высшие когнитивные функции не связаны с какой-то одной областью мозга, а возникают в результате взаимодействия между ними. Как он писал в 1885 году: "Любой высший психический процесс ... основывается на взаимном взаимодействии ... фундаментальных психических элементов, опосредованном посредством их многообразных связей через ассоциативные волокна". Поражение этих "ассоциативных волокон", по его мнению, приведет к нарушению таких сложных функций, как язык, осознание и планирование.
Теперь, когда инструменты теории графов позволили изучить "синдромы разрыва связей", все больше заболеваний такого рода исследуются с помощью современных подходов. Одним из распространенных примеров является болезнь Альцгеймера. При сравнении связности мозга пожилых пациентов с болезнью Альцгеймера с пациентами без этой болезни было обнаружено, что у пациентов с болезнью Альцгеймера длина путей между областями мозга была больше. Спутанность сознания и когнитивные нарушения при болезни Альцгеймера могут быть отчасти результатом нарушения эффективной связи между удаленными друг от друга областями мозга. Подобные изменения в сетевых структурах мозга в меньшей степени наблюдаются при обычном старении.
Открыв в 2013 году собственную лабораторию в Пенсильванском университете, Бассетт перешла от простого наблюдения за структурой мозга в состоянии здоровья и болезни к поиску способов ее использования. Активность сложных сетей бывает трудно предсказать. Слух, переданный другу, может тут же угаснуть или распространиться по всей социальной сети, в зависимости от структуры этой сети и места вашего друга в ней. Эффекты стимуляции или глушения нейронов также трудно предугадать. Лаборатория Бассетта объединяет инженерные инструменты со знаниями о структуре мозговых сетей, чтобы сделать управление нейронной активностью более простым. В частности, модели, основанные на коннектомах всего мозга отдельных людей, были использованы для определения того, где именно следует проводить стимуляцию мозга, чтобы добиться желаемого эффекта. Цель состоит в том, чтобы с помощью такого индивидуального лечения взять под контроль такие заболевания, как болезнь Паркинсона и эпилепсия.
Надежда на то, что метрики теории графов могут служить маркерами заболеваний - возможно, даже ранними маркерами, которые могут привести к профилактике, - сделала их весьма популярными в медицинских исследованиях. На сегодняшний день заболеваний мозга, изучаемых с помощью сетевого анализа, - болезнь Альцгеймера, шизофрения, травматическое повреждение мозга, рассеянный склероз, эпилепсия, аутизм и биполярное расстройство. Результаты, однако, оказались неоднозначными. Как было отмечено, техника МРТ, с помощью которой собираются данные, имеет свои проблемы, и в одних исследованиях обнаруживаются признаки болезни, а в других - нет. В общем, когда столько ученых с энтузиазмом ищут различия между больным и здоровым мозгом, некоторые ложноположительные и ошибочные данные обязательно попадут в выводы. Но вне зависимости от того, насколько убедительны результаты, можно с уверенностью сказать, что этот новый набор инструментов уже появился на клинической арене.
* * *
Развивающийся мозг - это извержение. Нейроны с бешеной скоростью вырываются из питомника нейронов, называемого желудочковой зоной, и устремляются во все уголки растущего мозга. Оказавшись там, они начинают устанавливать связи. Эти беспорядочные нейроны образуют друг с другом синапс за синапсом, лихорадочно соединяя клетки вблизи и вдали. На пике строительства синапсов в человеческом мозге - во время третьего триместра беременности - каждую секунду образуется 40 000 таких связей. Развитие - это взрыв генезиса нейронов и синапсов.
Но как только они появляются, многие из этих клеток и связей исчезают. У взрослого человека гораздо меньше нейронов, чем было в утробе матери; до половины нейронов, образовавшихся в процессе развития, погибают. Количество связей, которые устанавливает нейрон в коре головного мозга, достигает максимума примерно на первом году жизни и в дальнейшем сокращается на треть. Таким образом, мозг строится через всплеск и откат, разбухание и сокращение. В процессе развития обрезка нейронов и синапсов происходит безжалостно: выживают только полезные. Синапсы, например, созданы для передачи сигналов между нейронами. Если сигнал не поступает, синапс должен исчезнуть. Из этой суматохи и оборота возникают действующие нейронные цепи. Это все равно что поощрять разрастание кустарника, чтобы потом вырезать из него изящные топиарии.
Именно такой способ построения мозга нашла биология. Но если вы спросите теоретика графов, как создать сеть, он даст прямо противоположный ответ. Например, проектировщик системы общественного транспорта не станет строить кучу вокзалов и автобусных остановок и соединять их между собой, просто чтобы посмотреть, что будет использоваться. Ни одно правительство не одобрит такую трату ресурсов. Скорее, большинство графов строятся снизу вверх. Например, одна из стратегий, которую используют теоретики графов, заключается в том, чтобы сначала построить граф, который, используя как можно меньше ребер, имеет путь между любыми двумя узлами. Это означает, что некоторые пути могут быть довольно длинными, но, наблюдая за тем, какие пути используются чаще всего (пассажиры в поезде или информация, перемещающаяся между серверами в Интернете), проектировщик сети может определить, где было бы полезно добавить короткий путь. Таким образом, сеть становится более эффективной за счет добавления хорошо расположенных ребер.
Однако у мозга нет дизайнера. Нет центрального планировщика, который мог бы посмотреть вниз и сказать: "Похоже, сигналы будут проходить лучше, если вон тот нейрон будет соединен с вот этим". Вот почему мозг нуждается в избыточном воспроизводстве и обрезке. Единственный способ, которым мозг может принимать решения о том, какие связи должны существовать, - это подсчет активности, проходящей через эти связи. Отдельные нейроны и синапсы оснащены сложными молекулярными механизмами, которые измеряют, насколько они используются, и в результате растут или сокращаются. Однако если связь не существует, то и активность по ней измерить невозможно.