В лентах на этой неделе крутились две новости, которые никто не догадался поставить рядом. Первая — про цыплят и бусины: исследователи из Института ИИ МФТИ и МГУ научили скрытую марковскую модель предсказывать, как птица учится отличать съедобное зерно от несъедобной бусины, и попутно выяснили, что память, сформированная в правом полушарии, со временем переезжает в левое, но не наоборот. Вторая — про то, что новорождённые цыплята узнают лицо на схематичном рисунке, не имея никакого зрительного опыта.
Обе выглядят как милые этологические курьёзы. А на самом деле это два конца одной длинной истории про то, зачем нам вообще нужен цыплёнок. Потому что вылупившийся цыплёнок — это не «простая птичка». Это самый чистый инструмент, какой у нас есть, чтобы поймать момент, когда мозг становится знающим.
Начнём с того, как это делается технически, потому что именно детали делают всю философию.
Цыплёнка породы Ross 308 выводят в лаборатории в темноте — 37,7 градуса, 60% влажности, инкубатор, никакого света. Сразу после вылупления ему надевают на голову чёрную шапочку: чтобы ни один фотон не попал в глаз до начала эксперимента. Затем его сажают в индивидуальную клетку, где единственный источник света во всей вселенной — это полый пластиковый шар трёх с половиной сантиметров в диаметре, подвешенный в семи сантиметрах от пола. Внутри шара два оптоволокна мигают на частоте 5 герц.
Дальше начинается настоящее колдовство. Для одной группы цыплят шар горит красным — доминирующая длина волны 642 нанометра. Для другой — синим, 465 нанометров. Интенсивность в обоих случаях выровнена: 16,45 канделы на квадратный метр. Цыплёнок, таким образом, не просто учится. Ему проградуировали первую картину мира, подменив мать лампочкой известного спектра.
Почему мигает? Потому что цыплята предпочитают импринтироваться на мерцающий объект, а не на стационарный — это установили ещё в 1959 году. Импринтинг вообще возможен на любой предмет, но биология подсовывает животному подсказки: красный цвет в области головы сородича, самостоятельное движение, лицоподобные конфигурации. Это врождённые фильтры внимания, и они есть у цыплёнка с первой минуты.
Что происходит потом, в 70-х описал Габриэль Хорн из Кембриджа. Ключевой регион — промежуточный медиальный мезопаллиум, IMM: именно там формируется след импринтинга. Но дальше была странность. Последовательные разрушения сначала одной стороны IMM, потом другой показали: в левом IMM запись живёт временно, а правый IMM переносит информацию куда-то ещё — в неизвестный регион, который Хорн назвал S'. Перенос завершается примерно через шесть часов после окончания экспозиции. И всё. Дальше сорок лет этот регион искали вслепую, методом исключения, имея в руках только autoradiography и нож.
Хорн сформулировал это сам, с редкой для большого учёного честностью: «Мы всё ещё далеки от того, чтобы увидеть — через микроскоп или методами нейровизуализации — нервный след памяти».
Чтобы понять ответ, надо оценить, какую цену заплатили за инструмент.
В работе, вышедшей в Communications Biology 15 октября 2024 года, объединились две лаборатории — Рурский университет Бохума (Меди Behroozi, Онур Гюнтюркюн) и Центр наук о мозге в Тренто (Елена Лоренци, Джорджо Валлортигара), плюс Институт технологий в Роверето. Они решили сделать то, чего до них не делал никто: настоящую фМРТ на бодрствующем новорождённом цыплёнке.
Сканер — 7 тесла, горизонтальный Bruker, градиентная система 380 миллитесла на метр. Приёмная катушка — однопетлевая, 20 миллиметров, обёрнутая вокруг головы. Девять корональных срезов, 540 объёмов на животное, около 36 минут на каждого.
Фиксация — самое интересное место всей методики, потому что в ней нет ни наркоза, ни хирургии. Цыплёнка заворачивают в бумажную салфетку, чтобы не двигал крыльями и лапами. Голову обкладывают блоками пластилина, который заодно закрывает уши — так решается вторая проблема, шум сканера. Клюв фиксируют в кастомном держателе. И всё. Ноль имплантов, ноль вскрытий черепа.
Проблем с шумом, кстати, две. Первую решают заранее: перед сканированием цыплятам играют запись магнита по два раза в день, суммарно до пяти часов в день — привыкание. Вторая проблема инженерная и почти анекдотична: у цыплёнка глаза по размеру сопоставимы с мозгом, и их движения ломают BOLD-сигнал. Решение — два «сатурационных» среза вручную ставят прямо на глаза.
Дальше начинается измерительное искусство. Медиана смещений головы по кадру — 0,03 миллиметра. Объёмов со смещением больше 0,2 мм (это ~40% вокселя) — два процента в задаче и один процент в покое. Трёх животных из двадцати девяти выкинули за вертлявость. Держатель специально оставлял свободу в дорсовентральном направлении, «чтобы не блокировать горло» — то есть конструкция балансирует между точностью и дыханием.
И отдельная история про ориентир. Чтобы было куда накладывать функциональные карты, пять мёртвых мозгов цыплёнка сканировали 19 часов 48 минут в общей сложности на матрице 400×400×500 с вокселем 0,05 кубического миллиметра. Одно изображение-эталон — почти двадцать часов работы сканера. Плюс анатомический атлас 1988 года, плюс — поскольку у цыплёнка нет своей гемодинамической функции отклика — в качестве шаблона взяли HRF, снятую на голубе, как на структурно ближайшем мозге.
Вот цена вопроса: чтобы поймать знание в момент рождения, понадобилось 7 тесла, пять часов записанного шума в день, двадцать часов сканирования мёртвой ткани и функция отклика чужого вида.
Теперь то, ради чего всё затевалось. Девять цыплят были импринтированы на красный, восемь — на синий. В сканере им показывали оба цвета блоками по 16 секунд, между блоками 24 секунды темноты, 48 триалов. Логика простая: если память есть, свой цвет должен дать более сильный отклик, чем чужой.
Контраст «свой минус чужой» не дал ни одного значимого кластера. Вообще ни одного. По обеим группам.
Это тот момент, когда эксперимент либо отправился в мусор, либо стал интереснее, чем был задуман. Учёные пошли проверять поведение отдельно — двадцать четыре цыплёнка, беговое колесо, десять минут, красный с одной стороны, синий с другой. Обе группы предпочли красный: 0,638 при нейтральных 0,5, t(23) = 2,683, p = 0,013. Разницы между красной и синей группами не было (p = 0,124).
Вот в чём фокус. Красный — врождённо предпочтительным стимул. Это цвет, который цыплёнок видит в области головы сородича. Синие цыплята, попав в сканер и увидев красное, начали вторичный импринтинг прямо в трубе. Они не вспоминали первую мать. Они заводили вторую.
Пересчитав данные по фазам, это увидели как на ладони. В первые десять минут у синей группы была слабая активность тех же областей, что у красной. В последние двадцать минут — нарастающая активность на красный ровно в тех зонах, которые в литературе привязаны к самым ранним фазам импринтинга: IMM, гиппокамп, медиальный стриатум, NCL, ядро taenia. Сканер поймал не извлечение памяти. Сканер поймал рассвет второй.
А S' всё-таки нашёлся — и не в виде региона. В виде сети.
При извлечении памяти у красной группы активировалась связка: правое дорсальное латеральное коленчатое ядро (GLd — то, что получает вход напрямую от сетчатки), билатерально ядра IHA, HI, HD и HA — весь таламофугальный зрительный путь от таламуса к визуальному Wulst. Плюс ассоциативные IMM и NMm, плюс NCL, плюс, любопытная деталь, части слуховой системы: Field-L и правое ядро ovoidalis, таламическое слуховое ядро. И это логично: цыплятам до сканирования пять часов в день играли шум магнита, так что акустическая компонента образа встроилась в энграмму.
Дальше — сети, которые в статье называются Social Behaviour Network и Mesolimbic Reward System: BNST, прилежащее ядро, медиальный стриатум, задняя паллиальная амигдала, вентромедиальный гиппокамп. Это мотивационный слой. Импринтинг — не запись пароля в память, это привязанность; за неё надо платить дофаминовой валютой.
Латерализация оказалась аккуратной, а не лозунговой. Активность преимущественно правосторонняя. Но левый гиппокамп работал на формировании, а на извлечении гиппокамп работал уже с двух сторон. Гиппокамп здесь вообще упомянут в неожиданном качестве: дорсо- и вентромедиальные его части, по c-fos-работам, отвечают за узнавание конкретной особи. То есть у цыплёнка гиппокамп — не только навигатор, но и социальная картотека. Кстати, в 2015 году Руджени и Валлортигара показали, что новорождённый цыплёнок раскладывает числа по той же мысленной числовой оси, что и человек: малое слева, большое справа.
Асимметрия в статье читается честно: оба полушария участвуют, просто фазы разнесены по сторонам — кодирование и консолидация идут в разных полушариях. Это напрямую рифмуется с человеческой моделью HERA, где левое доминирует при кодировании, а правое при извлечении.
Вывод авторов звучит почти как эпиграф: искомый S' — это, вероятно, не структура, а вся эта распределённая сеть, центральным хабом которой можно считать «префронтальный» NCL.
Чтобы понять, насколько NCL — «префронтальный», стоит посмотреть на работу той же трентинской школы, вышедшую в PNAS. Двенадцать цыплят Ross 308, те же тёмные инкубаторы, те же 37,7 и 60%, тот же коммерческий инкубатор CRESCENTI под Брешией. Возраст животных — восемь-двенадцать дней, самые молодые существа, у которых вообще когда-либо описывали числовые нейроны. Дальше начинается честная нейрофизиология: тетроды из нихрома 17,78 микрометра, микро-драйв Halo-5, вживление в правый NCL под Vetflurane, стереотаксис с клювом под 45 градусов.
Результат: из 471 записанного юнита 53 (11%) оказались избирательны к количеству — и неважно, как именно предъявлялись точки, фиксировался радиус, площадь или периметр. Против 0,95% ложноположительных при тысячекратном перемешивании триалов. Больше всего нейронов предпочитали единицу (30%) и пятёрку (32%). Числовая дистанция работала лучше на логарифмической шкале, чем на абсолютной (ΔBIC = 6,36).
И самое важное: цыплят ничему не учили. Никакой числовой задачи, никакого подкрепления. Они просто смотрели на экран. Это те же 14% числовых нейронов, что у взрослых макак в префронтальной коре, и те же 12%, что у взрослых ворон. Авторы, впрочем, честно оговариваются: полностью исключить неконтролируемое обучение от повторного предъявления стимулов нельзя — и напоминают, что в глубоких сетях похожие числовые детекторы возникают спонтанно, без предобучения.
И последний слой, без которого предыдущие два непонятны.
В 2016 году команда из Карлова университета в Праге с Сузаной Эркулано-Оузел использовала изотропный фракционатор — метод, где ткань мозга превращают в однородный «суп» и считают в нём ядра, отделяя нейроны от глии без срезов и экстраполяций. Двадцать восемь видов птиц.
Результат, который с 2016 года подорвал привычную арифметику: у попугаев и певчих птиц нейронов в мозге в среднем вдвое больше, чем у приматов с той же массой. У врановых и попугаев непропорционально большая доля нейронов сидит именно в переднем мозге, так что по числу нейронов паллиума они догоняют или обгоняют обезьян с куда более крупным мозгом. Птичья стратегия — не наращивать объём, а упаковывать плотнее.
Вот почему цыплёнок годится на роль прибора. Его мозг не «маленькая копия» крысиного: это другая инженерная школа, где на малой площади стоит высокая концентрация вычислений, а сам он вылупляется почти готовым к работе — precocial. У мыши первого дня жизни как поведенческой единицы не существует. У цыплёнка он есть, и он доступен для сканера без наркоза.
Если собрать всё вместе, вырисовывается довольно жёсткая мысль.
Мы привыкли думать, что «врождённое» — это примитивное, а «выученное» — сложное. Цыплёнок опрокидывает эту лестницу. У него нет ни одного дня зрительного опыта, и при этом на второй-третий день жизни в его мозге уже работает распределённая сеть, удерживающая след привязанности, и в высшей ассоциативной области сидят нейроны, избирательные к числу, — то есть абстракции, для которой, как считалось, нужна кора. Причём коры у него нет. Есть паллиум, устроенный иначе.
Второе. Найденный S' — это не точка на карте, а сеть. И это, кажется, самый общий урок: когда модели хватает сложности, чтобы выучить что-то вроде привязанности, энграмма перестаёт лежать в одном ящике. Её нельзя ни вырезать, ни сфотографировать. Хорн искал структуру сорок лет и не нашёл, потому что искал структуру. Анатомия подвела не его, а сам вопрос.
Третье, и, пожалуй, самое интересное — про вторичный импринтинг. Врождённое предпочтение красного не помогло эксперименту, а сломало его: вместо измерений памяти прибор измерял рождение новой. Это красивая иллюстрация того, что «чистый старт» невозможен даже у цыплёнка, у которого до опыта не было ни одного фотона. Мозг не ждёт данных, он выходит навстречу с уже настроенной антенной. И когда данные приходят не те, что ждали, он не отбрасывает их — он начинает учиться заново, прямо внутри томографа.
Стоит упомянуть и то, что бросилось в глаза при чтении литературы: линии работ лаборатории Бохума–Тренто и московской школы «бусиничного пола» (Диффинэ, Тиунова, Анохин; в 2008 году Комиссарова и Анохин публиковали про влияние импринтинга на пролиферацию клеток в мозге цыплёнка) — существуют почти параллельно. В списке литературы статьи 2024 года ссылок на «bead floor» нет. Это не спор и не обида, а простое наблюдение: даже на таком маленьком объекте, как цыплёнок, научные традиции умудряются не встретиться.
И последнее, не совсем научное. Импринтинг начинался как история про утят, бегающих за сапогами Конрада Лоренца, — курьёз. Потом через него построили теорию привязанности Боулби, то есть объяснение того, как из первой встречи вырастает вся дальнейшая психика. Потом через него пытались понять, где вообще хранится память. А теперь к нему приставили томограф на 7 тесла, чтобы поймать, как знание появляется в мозгу с точностью до тридцати микронов дрожания головы. Странная траектория для эксперимента про мигающий шарик. Но, кажется, именно так и выглядит наука, которая наконец-то дошла до вопроса, с которого всё началось.